[project @ 2002-06-25 12:05:14 by simonmar]
[ghc-hetmet.git] / ghc / docs / users_guide / glasgow_exts.sgml
1 <para>
2 <indexterm><primary>language, GHC</primary></indexterm>
3 <indexterm><primary>extensions, GHC</primary></indexterm>
4 As with all known Haskell systems, GHC implements some extensions to
5 the language.  To use them, you'll need to give a <option>-fglasgow-exts</option>
6 <indexterm><primary>-fglasgow-exts option</primary></indexterm> option.
7 </para>
8
9 <para>
10 Virtually all of the Glasgow extensions serve to give you access to
11 the underlying facilities with which we implement Haskell.  Thus, you
12 can get at the Raw Iron, if you are willing to write some non-standard
13 code at a more primitive level.  You need not be &ldquo;stuck&rdquo; on
14 performance because of the implementation costs of Haskell's
15 &ldquo;high-level&rdquo; features&mdash;you can always code &ldquo;under&rdquo; them.  In an extreme case, you can write all your time-critical code in C, and then just glue it together with Haskell!
16 </para>
17
18 <para>
19 Before you get too carried away working at the lowest level (e.g.,
20 sloshing <literal>MutableByteArray&num;</literal>s around your
21 program), you may wish to check if there are libraries that provide a
22 &ldquo;Haskellised veneer&rdquo; over the features you want.  The
23 separate libraries documentation describes all the libraries that come
24 with GHC.
25 </para>
26
27 <!-- LANGUAGE OPTIONS -->
28   <sect1 id="options-language">
29     <title>Language options</title>
30
31     <indexterm><primary>language</primary><secondary>option</secondary>
32     </indexterm>
33     <indexterm><primary>options</primary><secondary>language</secondary>
34     </indexterm>
35     <indexterm><primary>extensions</primary><secondary>options controlling</secondary>
36     </indexterm>
37
38     <para> These flags control what variation of the language are
39     permitted.  Leaving out all of them gives you standard Haskell
40     98.</para>
41
42     <variablelist>
43
44       <varlistentry>
45         <term><option>-fglasgow-exts</option>:</term>
46         <indexterm><primary><option>-fglasgow-exts</option></primary></indexterm>
47         <listitem>
48           <para>This simultaneously enables all of the extensions to
49           Haskell 98 described in <xref
50           linkend="ghc-language-features">, except where otherwise
51           noted. </para>
52         </listitem>
53       </varlistentry>
54
55       <varlistentry>
56         <term><option>-ffi</option> and <option>-fffi</option>:</term>
57         <indexterm><primary><option>-ffi</option></primary></indexterm>
58         <indexterm><primary><option>-fffi</option></primary></indexterm>
59         <listitem>
60           <para>This option enables the language extension defined in the
61           Haskell 98 Foreign Function Interface Addendum plus deprecated
62           syntax of previous versions of the FFI for backwards
63           compatibility.</para> 
64         </listitem>
65       </varlistentry>
66
67       <varlistentry>
68         <term><option>-fwith</option>:</term>
69         <indexterm><primary><option>-fwith</option></primary></indexterm>
70         <listitem>
71           <para>This option enables the deprecated <literal>with</literal>
72           keyword for implicit parameters; it is merely provided for backwards
73           compatibility.
74           It is independent of the <option>-fglasgow-exts</option>
75           flag. </para>
76         </listitem>
77       </varlistentry>
78
79       <varlistentry>
80         <term><option>-fno-monomorphism-restriction</option>:</term>
81         <indexterm><primary><option>-fno-monomorphism-restriction</option></primary></indexterm>
82         <listitem>
83           <para> Switch off the Haskell 98 monomorphism restriction.
84           Independent of the <option>-fglasgow-exts</option>
85           flag. </para>
86         </listitem>
87       </varlistentry>
88
89       <varlistentry>
90         <term><option>-fallow-overlapping-instances</option></term>
91         <term><option>-fallow-undecidable-instances</option></term>
92         <term><option>-fallow-incoherent-instances</option></term>
93         <term><option>-fcontext-stack</option></term>
94         <indexterm><primary><option>-fallow-overlapping-instances</option></primary></indexterm>
95         <indexterm><primary><option>-fallow-undecidable-instances</option></primary></indexterm>
96         <indexterm><primary><option>-fcontext-stack</option></primary></indexterm>
97         <listitem>
98           <para> See <xref LinkEnd="instance-decls">.  Only relevant
99           if you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
100         </listitem>
101       </varlistentry>
102
103       <varlistentry>
104         <term><option>-finline-phase</option></term>
105         <indexterm><primary><option>-finline-phase</option></primary></indexterm>
106         <listitem>
107           <para>See <xref LinkEnd="rewrite-rules">.  Only relevant if
108           you also use <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
109         </listitem>
110       </varlistentry>
111
112       <varlistentry>
113         <term><option>-fgenerics</option></term>
114         <indexterm><primary><option>-fgenerics</option></primary></indexterm>
115         <listitem>
116           <para>See <xref LinkEnd="generic-classes">.  Independent of
117           <option>-fglasgow-exts</option>.</para>
118         </listitem>
119       </varlistentry>
120
121         <varlistentry>
122           <term><option>-fno-implicit-prelude</option></term>
123           <listitem>
124             <para><indexterm><primary>-fno-implicit-prelude
125             option</primary></indexterm> GHC normally imports
126             <filename>Prelude.hi</filename> files for you.  If you'd
127             rather it didn't, then give it a
128             <option>-fno-implicit-prelude</option> option.  The idea
129             is that you can then import a Prelude of your own.  (But
130             don't call it <literal>Prelude</literal>; the Haskell
131             module namespace is flat, and you must not conflict with
132             any Prelude module.)</para>
133
134             <para>Even though you have not imported the Prelude, most of
135             the built-in syntax still refers to the built-in Haskell
136             Prelude types and values, as specified by the Haskell
137             Report.  For example, the type <literal>[Int]</literal>
138             still means <literal>Prelude.[] Int</literal>; tuples
139             continue to refer to the standard Prelude tuples; the
140             translation for list comprehensions continues to use
141             <literal>Prelude.map</literal> etc.</para>
142
143             <para>However, <option>-fno-implicit-prelude</option> does
144             change the handling of certain built-in syntax: see
145             <xref LinkEnd="rebindable-syntax">.</para>
146
147           </listitem>
148         </varlistentry>
149
150     </variablelist>
151   </sect1>
152
153 <!-- UNBOXED TYPES AND PRIMITIVE OPERATIONS -->
154 <!--    included from primitives.sgml  -->
155 &primitives;
156
157
158 <!-- TYPE SYSTEM EXTENSIONS -->
159 <sect1 id="type-extensions">
160 <title>Type system extensions</title>
161
162 <sect2 id="nullary-types">
163 <title>Data types with no constructors</title>
164
165 <para>With the <option>-fglasgow-exts</option> flag, GHC lets you declare
166 a data type with no constructors.  For example:</para>
167
168 <programlisting>
169   data S      -- S :: *
170   data T a    -- T :: * -> *
171 </programlisting>
172
173 <para>Syntactically, the declaration lacks the "= constrs" part.  The 
174 type can be parameterised over types of any kind, but if the kind is
175 not <literal>*</literal> then an explicit kind annotation must be used
176 (see <xref linkend="sec-kinding">).</para>
177
178 <para>Such data types have only one value, namely bottom.
179 Nevertheless, they can be useful when defining "phantom types".</para>
180 </sect2>
181
182 <sect2 id="infix-tycons">
183 <title>Infix type constructors</title>
184
185 <para>
186 GHC allows type constructors to be operators, and to be written infix, very much 
187 like expressions.  More specifically:
188 <itemizedlist>
189 <listitem><para>
190   A type constructor can be an operator, beginning with a colon; e.g. <literal>:*:</literal>.
191   The lexical syntax is the same as that for data constructors.
192   </para></listitem>
193 <listitem><para>
194   Types can be written infix.  For example <literal>Int :*: Bool</literal>.  
195   </para></listitem>
196 <listitem><para>
197   Back-quotes work
198   as for expressions, both for type constructors and type variables;  e.g. <literal>Int `Either` Bool</literal>, or
199   <literal>Int `a` Bool</literal>.  Similarly, parentheses work the same; e.g.  <literal>(:*:) Int Bool</literal>.
200   </para></listitem>
201 <listitem><para>
202   Fixities may be declared for type constructors just as for data constructors.  However,
203   one cannot distinguish between the two in a fixity declaration; a fixity declaration
204   sets the fixity for a data constructor and the corresponding type constructor.  For example:
205 <screen>
206   infixl 7 T, :*:
207 </screen>
208   sets the fixity for both type constructor <literal>T</literal> and data constructor <literal>T</literal>,
209   and similarly for <literal>:*:</literal>.
210   <literal>Int `a` Bool</literal>.
211   </para></listitem>
212 <listitem><para>
213   Function arrow is <literal>infixr</literal> with fixity 0.  (This might change; I'm not sure what it should be.)
214   </para></listitem>
215 <listitem><para>
216   Data type and type-synonym declarations can be written infix.  E.g.
217 <screen>
218   data a :*: b = Foo a b
219   type a :+: b = Either a b
220 </screen>
221   </para></listitem>
222 <listitem><para>
223   The only thing that differs between operators in types and operators in expressions is that
224   ordinary non-constructor operators, such as <literal>+</literal> and <literal>*</literal>
225   are not allowed in types. Reason: the uniform thing to do would be to make them type
226   variables, but that's not very useful.  A less uniform but more useful thing would be to
227   allow them to be type <emphasis>constructors</emphasis>.  But that gives trouble in export
228   lists.  So for now we just exclude them.
229   </para></listitem>
230
231 </itemizedlist>
232 </para>
233 </sect2>
234
235 <sect2 id="class-method-types">
236 <title>Class method types
237 </title>
238 <para>
239 Haskell 98 prohibits class method types to mention constraints on the
240 class type variable, thus:
241 <programlisting>
242   class Seq s a where
243     fromList :: [a] -> s a
244     elem     :: Eq a => a -> s a -> Bool
245 </programlisting>
246 The type of <literal>elem</literal> is illegal in Haskell 98, because it
247 contains the constraint <literal>Eq a</literal>, constrains only the 
248 class type variable (in this case <literal>a</literal>).
249 </para>
250 <para>
251 With the <option>-fglasgow-exts</option> GHC lifts this restriction.
252 </para>
253
254 </sect2>
255
256 <sect2 id="multi-param-type-classes">
257 <title>Multi-parameter type classes
258 </title>
259
260 <para>
261 This section documents GHC's implementation of multi-parameter type
262 classes.  There's lots of background in the paper <ULink
263 URL="http://research.microsoft.com/~simonpj/multi.ps.gz" >Type
264 classes: exploring the design space</ULink > (Simon Peyton Jones, Mark
265 Jones, Erik Meijer).
266 </para>
267
268 <para>
269 I'd like to thank people who reported shorcomings in the GHC 3.02
270 implementation.  Our default decisions were all conservative ones, and
271 the experience of these heroic pioneers has given useful concrete
272 examples to support several generalisations.  (These appear below as
273 design choices not implemented in 3.02.)
274 </para>
275
276 <para>
277 I've discussed these notes with Mark Jones, and I believe that Hugs
278 will migrate towards the same design choices as I outline here.
279 Thanks to him, and to many others who have offered very useful
280 feedback.
281 </para>
282
283 <sect3>
284 <title>Types</title>
285
286 <para>
287 There are the following restrictions on the form of a qualified
288 type:
289 </para>
290
291 <para>
292
293 <programlisting>
294   forall tv1..tvn (c1, ...,cn) => type
295 </programlisting>
296
297 </para>
298
299 <para>
300 (Here, I write the "foralls" explicitly, although the Haskell source
301 language omits them; in Haskell 1.4, all the free type variables of an
302 explicit source-language type signature are universally quantified,
303 except for the class type variables in a class declaration.  However,
304 in GHC, you can give the foralls if you want.  See <xref LinkEnd="universal-quantification">).
305 </para>
306
307 <para>
308
309 <OrderedList>
310 <listitem>
311
312 <para>
313  <emphasis>Each universally quantified type variable
314 <literal>tvi</literal> must be mentioned (i.e. appear free) in <literal>type</literal></emphasis>.
315
316 The reason for this is that a value with a type that does not obey
317 this restriction could not be used without introducing
318 ambiguity. Here, for example, is an illegal type:
319
320
321 <programlisting>
322   forall a. Eq a => Int
323 </programlisting>
324
325
326 When a value with this type was used, the constraint <literal>Eq tv</literal>
327 would be introduced where <literal>tv</literal> is a fresh type variable, and
328 (in the dictionary-translation implementation) the value would be
329 applied to a dictionary for <literal>Eq tv</literal>.  The difficulty is that we
330 can never know which instance of <literal>Eq</literal> to use because we never
331 get any more information about <literal>tv</literal>.
332
333 </para>
334 </listitem>
335 <listitem>
336
337 <para>
338  <emphasis>Every constraint <literal>ci</literal> must mention at least one of the
339 universally quantified type variables <literal>tvi</literal></emphasis>.
340
341 For example, this type is OK because <literal>C a b</literal> mentions the
342 universally quantified type variable <literal>b</literal>:
343
344
345 <programlisting>
346   forall a. C a b => burble
347 </programlisting>
348
349
350 The next type is illegal because the constraint <literal>Eq b</literal> does not
351 mention <literal>a</literal>:
352
353
354 <programlisting>
355   forall a. Eq b => burble
356 </programlisting>
357
358
359 The reason for this restriction is milder than the other one.  The
360 excluded types are never useful or necessary (because the offending
361 context doesn't need to be witnessed at this point; it can be floated
362 out).  Furthermore, floating them out increases sharing. Lastly,
363 excluding them is a conservative choice; it leaves a patch of
364 territory free in case we need it later.
365
366 </para>
367 </listitem>
368
369 </OrderedList>
370
371 </para>
372
373 <para>
374 These restrictions apply to all types, whether declared in a type signature
375 or inferred.
376 </para>
377
378 <para>
379 Unlike Haskell 1.4, constraints in types do <emphasis>not</emphasis> have to be of
380 the form <emphasis>(class type-variables)</emphasis>.  Thus, these type signatures
381 are perfectly OK
382 </para>
383
384 <para>
385
386 <programlisting>
387   f :: Eq (m a) => [m a] -> [m a]
388   g :: Eq [a] => ...
389 </programlisting>
390
391 </para>
392
393 <para>
394 This choice recovers principal types, a property that Haskell 1.4 does not have.
395 </para>
396
397 </sect3>
398
399 <sect3>
400 <title>Class declarations</title>
401
402 <para>
403
404 <OrderedList>
405 <listitem>
406
407 <para>
408  <emphasis>Multi-parameter type classes are permitted</emphasis>. For example:
409
410
411 <programlisting>
412   class Collection c a where
413     union :: c a -> c a -> c a
414     ...etc.
415 </programlisting>
416
417
418
419 </para>
420 </listitem>
421 <listitem>
422
423 <para>
424  <emphasis>The class hierarchy must be acyclic</emphasis>.  However, the definition
425 of "acyclic" involves only the superclass relationships.  For example,
426 this is OK:
427
428
429 <programlisting>
430   class C a where {
431     op :: D b => a -> b -> b
432   }
433
434   class C a => D a where { ... }
435 </programlisting>
436
437
438 Here, <literal>C</literal> is a superclass of <literal>D</literal>, but it's OK for a
439 class operation <literal>op</literal> of <literal>C</literal> to mention <literal>D</literal>.  (It
440 would not be OK for <literal>D</literal> to be a superclass of <literal>C</literal>.)
441
442 </para>
443 </listitem>
444 <listitem>
445
446 <para>
447  <emphasis>There are no restrictions on the context in a class declaration
448 (which introduces superclasses), except that the class hierarchy must
449 be acyclic</emphasis>.  So these class declarations are OK:
450
451
452 <programlisting>
453   class Functor (m k) => FiniteMap m k where
454     ...
455
456   class (Monad m, Monad (t m)) => Transform t m where
457     lift :: m a -> (t m) a
458 </programlisting>
459
460
461 </para>
462 </listitem>
463 <listitem>
464
465 <para>
466  <emphasis>In the signature of a class operation, every constraint
467 must mention at least one type variable that is not a class type
468 variable</emphasis>.
469
470 Thus:
471
472
473 <programlisting>
474   class Collection c a where
475     mapC :: Collection c b => (a->b) -> c a -> c b
476 </programlisting>
477
478
479 is OK because the constraint <literal>(Collection a b)</literal> mentions
480 <literal>b</literal>, even though it also mentions the class variable
481 <literal>a</literal>.  On the other hand:
482
483
484 <programlisting>
485   class C a where
486     op :: Eq a => (a,b) -> (a,b)
487 </programlisting>
488
489
490 is not OK because the constraint <literal>(Eq a)</literal> mentions on the class
491 type variable <literal>a</literal>, but not <literal>b</literal>.  However, any such
492 example is easily fixed by moving the offending context up to the
493 superclass context:
494
495
496 <programlisting>
497   class Eq a => C a where
498     op ::(a,b) -> (a,b)
499 </programlisting>
500
501
502 A yet more relaxed rule would allow the context of a class-op signature
503 to mention only class type variables.  However, that conflicts with
504 Rule 1(b) for types above.
505
506 </para>
507 </listitem>
508 <listitem>
509
510 <para>
511  <emphasis>The type of each class operation must mention <emphasis>all</emphasis> of
512 the class type variables</emphasis>.  For example:
513
514
515 <programlisting>
516   class Coll s a where
517     empty  :: s
518     insert :: s -> a -> s
519 </programlisting>
520
521
522 is not OK, because the type of <literal>empty</literal> doesn't mention
523 <literal>a</literal>.  This rule is a consequence of Rule 1(a), above, for
524 types, and has the same motivation.
525
526 Sometimes, offending class declarations exhibit misunderstandings.  For
527 example, <literal>Coll</literal> might be rewritten
528
529
530 <programlisting>
531   class Coll s a where
532     empty  :: s a
533     insert :: s a -> a -> s a
534 </programlisting>
535
536
537 which makes the connection between the type of a collection of
538 <literal>a</literal>'s (namely <literal>(s a)</literal>) and the element type <literal>a</literal>.
539 Occasionally this really doesn't work, in which case you can split the
540 class like this:
541
542
543 <programlisting>
544   class CollE s where
545     empty  :: s
546
547   class CollE s => Coll s a where
548     insert :: s -> a -> s
549 </programlisting>
550
551
552 </para>
553 </listitem>
554
555 </OrderedList>
556
557 </para>
558
559 </sect3>
560
561 <sect3 id="instance-decls">
562 <title>Instance declarations</title>
563
564 <para>
565
566 <OrderedList>
567 <listitem>
568
569 <para>
570  <emphasis>Instance declarations may not overlap</emphasis>.  The two instance
571 declarations
572
573
574 <programlisting>
575   instance context1 => C type1 where ...
576   instance context2 => C type2 where ...
577 </programlisting>
578
579
580 "overlap" if <literal>type1</literal> and <literal>type2</literal> unify
581
582 However, if you give the command line option
583 <option>-fallow-overlapping-instances</option><indexterm><primary>-fallow-overlapping-instances
584 option</primary></indexterm> then overlapping instance declarations are permitted.
585 However, GHC arranges never to commit to using an instance declaration
586 if another instance declaration also applies, either now or later.
587
588 <itemizedlist>
589 <listitem>
590
591 <para>
592  EITHER <literal>type1</literal> and <literal>type2</literal> do not unify
593 </para>
594 </listitem>
595 <listitem>
596
597 <para>
598  OR <literal>type2</literal> is a substitution instance of <literal>type1</literal>
599 (but not identical to <literal>type1</literal>), or vice versa.
600 </para>
601 </listitem>
602 </itemizedlist>
603 Notice that these rules
604 <itemizedlist>
605 <listitem>
606
607 <para>
608  make it clear which instance decl to use
609 (pick the most specific one that matches)
610
611 </para>
612 </listitem>
613 <listitem>
614
615 <para>
616  do not mention the contexts <literal>context1</literal>, <literal>context2</literal>
617 Reason: you can pick which instance decl
618 "matches" based on the type.
619 </para>
620 </listitem>
621
622 </itemizedlist>
623 However the rules are over-conservative.  Two instance declarations can overlap,
624 but it can still be clear in particular situations which to use.  For example:
625 <programlisting>
626   instance C (Int,a) where ...
627   instance C (a,Bool) where ...
628 </programlisting>
629 These are rejected by GHC's rules, but it is clear what to do when trying
630 to solve the constraint <literal>C (Int,Int)</literal> because the second instance
631 cannot apply.  Yell if this restriction bites you.
632 </para>
633 <para>
634 GHC is also conservative about committing to an overlapping instance.  For example:
635 <programlisting>
636   class C a where { op :: a -> a }
637   instance C [Int] where ...
638   instance C a => C [a] where ...
639   
640   f :: C b => [b] -> [b]
641   f x = op x
642 </programlisting>
643 From the RHS of f we get the constraint <literal>C [b]</literal>.  But
644 GHC does not commit to the second instance declaration, because in a paricular
645 call of f, b might be instantiate to Int, so the first instance declaration
646 would be appropriate.  So GHC rejects the program.  If you add <option>-fallow-incoherent-instances</option>
647 GHC will instead silently pick the second instance, without complaining about 
648 the problem of subsequent instantiations.
649 </para>
650 <para>
651 Regrettably, GHC doesn't guarantee to detect overlapping instance
652 declarations if they appear in different modules.  GHC can "see" the
653 instance declarations in the transitive closure of all the modules
654 imported by the one being compiled, so it can "see" all instance decls
655 when it is compiling <literal>Main</literal>.  However, it currently chooses not
656 to look at ones that can't possibly be of use in the module currently
657 being compiled, in the interests of efficiency.  (Perhaps we should
658 change that decision, at least for <literal>Main</literal>.)
659
660 </para>
661 </listitem>
662 <listitem>
663
664 <para>
665  <emphasis>There are no restrictions on the type in an instance
666 <emphasis>head</emphasis>, except that at least one must not be a type variable</emphasis>.
667 The instance "head" is the bit after the "=>" in an instance decl. For
668 example, these are OK:
669
670
671 <programlisting>
672   instance C Int a where ...
673
674   instance D (Int, Int) where ...
675
676   instance E [[a]] where ...
677 </programlisting>
678
679
680 Note that instance heads <emphasis>may</emphasis> contain repeated type variables.
681 For example, this is OK:
682
683
684 <programlisting>
685   instance Stateful (ST s) (MutVar s) where ...
686 </programlisting>
687
688
689 The "at least one not a type variable" restriction is to ensure that
690 context reduction terminates: each reduction step removes one type
691 constructor.  For example, the following would make the type checker
692 loop if it wasn't excluded:
693
694
695 <programlisting>
696   instance C a => C a where ...
697 </programlisting>
698
699
700 There are two situations in which the rule is a bit of a pain. First,
701 if one allows overlapping instance declarations then it's quite
702 convenient to have a "default instance" declaration that applies if
703 something more specific does not:
704
705
706 <programlisting>
707   instance C a where
708     op = ... -- Default
709 </programlisting>
710
711
712 Second, sometimes you might want to use the following to get the
713 effect of a "class synonym":
714
715
716 <programlisting>
717   class (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
718
719   instance (C1 a, C2 a, C3 a) => C a where { }
720 </programlisting>
721
722
723 This allows you to write shorter signatures:
724
725
726 <programlisting>
727   f :: C a => ...
728 </programlisting>
729
730
731 instead of
732
733
734 <programlisting>
735   f :: (C1 a, C2 a, C3 a) => ...
736 </programlisting>
737
738
739 I'm on the lookout for a simple rule that preserves decidability while
740 allowing these idioms.  The experimental flag
741 <option>-fallow-undecidable-instances</option><indexterm><primary>-fallow-undecidable-instances
742 option</primary></indexterm> lifts this restriction, allowing all the types in an
743 instance head to be type variables.
744
745 </para>
746 </listitem>
747 <listitem>
748
749 <para>
750  <emphasis>Unlike Haskell 1.4, instance heads may use type
751 synonyms</emphasis>.  As always, using a type synonym is just shorthand for
752 writing the RHS of the type synonym definition.  For example:
753
754
755 <programlisting>
756   type Point = (Int,Int)
757   instance C Point   where ...
758   instance C [Point] where ...
759 </programlisting>
760
761
762 is legal.  However, if you added
763
764
765 <programlisting>
766   instance C (Int,Int) where ...
767 </programlisting>
768
769
770 as well, then the compiler will complain about the overlapping
771 (actually, identical) instance declarations.  As always, type synonyms
772 must be fully applied.  You cannot, for example, write:
773
774
775 <programlisting>
776   type P a = [[a]]
777   instance Monad P where ...
778 </programlisting>
779
780
781 This design decision is independent of all the others, and easily
782 reversed, but it makes sense to me.
783
784 </para>
785 </listitem>
786 <listitem>
787
788 <para>
789 <emphasis>The types in an instance-declaration <emphasis>context</emphasis> must all
790 be type variables</emphasis>. Thus
791
792
793 <programlisting>
794 instance C a b => Eq (a,b) where ...
795 </programlisting>
796
797
798 is OK, but
799
800
801 <programlisting>
802 instance C Int b => Foo b where ...
803 </programlisting>
804
805
806 is not OK.  Again, the intent here is to make sure that context
807 reduction terminates.
808
809 Voluminous correspondence on the Haskell mailing list has convinced me
810 that it's worth experimenting with a more liberal rule.  If you use
811 the flag <option>-fallow-undecidable-instances</option> can use arbitrary
812 types in an instance context.  Termination is ensured by having a
813 fixed-depth recursion stack.  If you exceed the stack depth you get a
814 sort of backtrace, and the opportunity to increase the stack depth
815 with <option>-fcontext-stack</option><emphasis>N</emphasis>.
816
817 </para>
818 </listitem>
819
820 </OrderedList>
821
822 </para>
823
824 </sect3>
825
826 </sect2>
827
828 <sect2 id="implicit-parameters">
829 <title>Implicit parameters
830 </title>
831
832 <para> Implicit paramters are implemented as described in 
833 "Implicit parameters: dynamic scoping with static types", 
834 J Lewis, MB Shields, E Meijer, J Launchbury,
835 27th ACM Symposium on Principles of Programming Languages (POPL'00),
836 Boston, Jan 2000.
837 </para>
838 <para>(Most of the following, stil rather incomplete, documentation is due to Jeff Lewis.)</para>
839 <para>
840 A variable is called <emphasis>dynamically bound</emphasis> when it is bound by the calling
841 context of a function and <emphasis>statically bound</emphasis> when bound by the callee's
842 context. In Haskell, all variables are statically bound. Dynamic
843 binding of variables is a notion that goes back to Lisp, but was later
844 discarded in more modern incarnations, such as Scheme. Dynamic binding
845 can be very confusing in an untyped language, and unfortunately, typed
846 languages, in particular Hindley-Milner typed languages like Haskell,
847 only support static scoping of variables.
848 </para>
849 <para>
850 However, by a simple extension to the type class system of Haskell, we
851 can support dynamic binding. Basically, we express the use of a
852 dynamically bound variable as a constraint on the type. These
853 constraints lead to types of the form <literal>(?x::t') => t</literal>, which says "this
854 function uses a dynamically-bound variable <literal>?x</literal> 
855 of type <literal>t'</literal>". For
856 example, the following expresses the type of a sort function,
857 implicitly parameterized by a comparison function named <literal>cmp</literal>.
858 <programlisting>
859   sort :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
860 </programlisting>
861 The dynamic binding constraints are just a new form of predicate in the type class system.
862 </para>
863 <para>
864 An implicit parameter is introduced by the special form <literal>?x</literal>, 
865 where <literal>x</literal> is
866 any valid identifier. Use if this construct also introduces new
867 dynamic binding constraints. For example, the following definition
868 shows how we can define an implicitly parameterized sort function in
869 terms of an explicitly parameterized <literal>sortBy</literal> function:
870 <programlisting>
871   sortBy :: (a -> a -> Bool) -> [a] -> [a]
872
873   sort   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> [a]
874   sort    = sortBy ?cmp
875 </programlisting>
876 Dynamic binding constraints behave just like other type class
877 constraints in that they are automatically propagated. Thus, when a
878 function is used, its implicit parameters are inherited by the
879 function that called it. For example, our <literal>sort</literal> function might be used
880 to pick out the least value in a list:
881 <programlisting>
882   least   :: (?cmp :: a -> a -> Bool) => [a] -> a
883   least xs = fst (sort xs)
884 </programlisting>
885 Without lifting a finger, the <literal>?cmp</literal> parameter is
886 propagated to become a parameter of <literal>least</literal> as well. With explicit
887 parameters, the default is that parameters must always be explicit
888 propagated. With implicit parameters, the default is to always
889 propagate them.
890 </para>
891 <para>
892 An implicit parameter differs from other type class constraints in the
893 following way: All uses of a particular implicit parameter must have
894 the same type. This means that the type of <literal>(?x, ?x)</literal> 
895 is <literal>(?x::a) => (a,a)</literal>, and not 
896 <literal>(?x::a, ?x::b) => (a, b)</literal>, as would be the case for type
897 class constraints.
898 </para>
899 <para>
900 An implicit parameter is bound using the standard
901 <literal>let</literal> binding form, where the bindings must be a
902 collection of simple bindings to implicit-style variables (no
903 function-style bindings, and no type signatures); these bindings are
904 neither polymorphic or recursive. This form binds the implicit
905 parameters arising in the body, not the free variables as a
906 <literal>let</literal> or <literal>where</literal> would do. For
907 example, we define the <literal>min</literal> function by binding
908 <literal>cmp</literal>.</para>
909 <programlisting>
910   min :: [a] -> a
911   min  = let ?cmp = (<=) in least
912 </programlisting>
913 <para>
914 Note the following additional constraints:
915 <itemizedlist>
916 <listitem>
917 <para> You can't have an implicit parameter in the context of a class or instance
918 declaration.  For example, both these declarations are illegal:
919 <programlisting>
920   class (?x::Int) => C a where ...
921   instance (?x::a) => Foo [a] where ...
922 </programlisting>
923 Reason: exactly which implicit parameter you pick up depends on exactly where
924 you invoke a function. But the ``invocation'' of instance declarations is done
925 behind the scenes by the compiler, so it's hard to figure out exactly where it is done.
926 Easiest thing is to outlaw the offending types.</para>
927 </listitem>
928 </itemizedlist>
929 </para>
930
931 </sect2>
932
933 <sect2 id="linear-implicit-parameters">
934 <title>Linear implicit parameters
935 </title>
936 <para>
937 Linear implicit parameters are an idea developed by Koen Claessen,
938 Mark Shields, and Simon PJ.  They address the long-standing
939 problem that monads seem over-kill for certain sorts of problem, notably:
940 </para>
941 <itemizedlist>
942 <listitem> <para> distributing a supply of unique names </para> </listitem>
943 <listitem> <para> distributing a suppply of random numbers </para> </listitem>
944 <listitem> <para> distributing an oracle (as in QuickCheck) </para> </listitem>
945 </itemizedlist>
946
947 <para>
948 Linear implicit parameters are just like ordinary implicit parameters,
949 except that they are "linear" -- that is, they cannot be copied, and
950 must be explicitly "split" instead.  Linear implicit parameters are
951 written '<literal>%x</literal>' instead of '<literal>?x</literal>'.  
952 (The '/' in the '%' suggests the split!)
953 </para>
954 <para>
955 For example:
956 <programlisting>
957     import GHC.Exts( Splittable )
958
959     data NameSupply = ...
960     
961     splitNS :: NameSupply -> (NameSupply, NameSupply)
962     newName :: NameSupply -> Name
963
964     instance Splittable NameSupply where
965         split = splitNS
966
967
968     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
969     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
970                     where
971                       x'   = newName %ns
972                       env' = extend env x x'
973     ...more equations for f...
974 </programlisting>
975 Notice that the implicit parameter %ns is consumed 
976 <itemizedlist>
977 <listitem> <para> once by the call to <literal>newName</literal> </para> </listitem>
978 <listitem> <para> once by the recursive call to <literal>f</literal> </para></listitem>
979 </itemizedlist>
980 </para>
981 <para>
982 So the translation done by the type checker makes
983 the parameter explicit:
984 <programlisting>
985     f :: NameSupply -> Env -> Expr -> Expr
986     f ns env (Lam x e) = Lam x' (f ns1 env e)
987                        where
988                          (ns1,ns2) = splitNS ns
989                          x' = newName ns2
990                          env = extend env x x'
991 </programlisting>
992 Notice the call to 'split' introduced by the type checker.
993 How did it know to use 'splitNS'?  Because what it really did
994 was to introduce a call to the overloaded function 'split',
995 defined by the class <literal>Splittable</literal>:
996 <programlisting>
997         class Splittable a where
998           split :: a -> (a,a)
999 </programlisting>
1000 The instance for <literal>Splittable NameSupply</literal> tells GHC how to implement
1001 split for name supplies.  But we can simply write
1002 <programlisting>
1003         g x = (x, %ns, %ns)
1004 </programlisting>
1005 and GHC will infer
1006 <programlisting>
1007         g :: (Splittable a, %ns :: a) => b -> (b,a,a)
1008 </programlisting>
1009 The <literal>Splittable</literal> class is built into GHC.  It's exported by module 
1010 <literal>GHC.Exts</literal>.
1011 </para>
1012 <para>
1013 Other points:
1014 <itemizedlist>
1015 <listitem> <para> '<literal>?x</literal>' and '<literal>%x</literal>' 
1016 are entirely distinct implicit parameters: you 
1017   can use them together and they won't intefere with each other. </para>
1018 </listitem>
1019
1020 <listitem> <para> You can bind linear implicit parameters in 'with' clauses. </para> </listitem>
1021
1022 <listitem> <para>You cannot have implicit parameters (whether linear or not)
1023   in the context of a class or instance declaration. </para></listitem>
1024 </itemizedlist>
1025 </para>
1026
1027 <sect3><title>Warnings</title>
1028
1029 <para>
1030 The monomorphism restriction is even more important than usual.
1031 Consider the example above:
1032 <programlisting>
1033     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1034     f env (Lam x e) = Lam x' (f env e)
1035                     where
1036                       x'   = newName %ns
1037                       env' = extend env x x'
1038 </programlisting>
1039 If we replaced the two occurrences of x' by (newName %ns), which is
1040 usually a harmless thing to do, we get:
1041 <programlisting>
1042     f :: (%ns :: NameSupply) => Env -> Expr -> Expr
1043     f env (Lam x e) = Lam (newName %ns) (f env e)
1044                     where
1045                       env' = extend env x (newName %ns)
1046 </programlisting>
1047 But now the name supply is consumed in <emphasis>three</emphasis> places
1048 (the two calls to newName,and the recursive call to f), so
1049 the result is utterly different.  Urk!  We don't even have 
1050 the beta rule.
1051 </para>
1052 <para>
1053 Well, this is an experimental change.  With implicit
1054 parameters we have already lost beta reduction anyway, and
1055 (as John Launchbury puts it) we can't sensibly reason about
1056 Haskell programs without knowing their typing.
1057 </para>
1058
1059 </sect3>
1060
1061 </sect2>
1062
1063 <sect2 id="functional-dependencies">
1064 <title>Functional dependencies
1065 </title>
1066
1067 <para> Functional dependencies are implemented as described by Mark Jones
1068 in "Type Classes with Functional Dependencies", Mark P. Jones, 
1069 In Proceedings of the 9th European Symposium on Programming, 
1070 ESOP 2000, Berlin, Germany, March 2000, Springer-Verlag LNCS 1782.
1071 </para>
1072
1073 <para>
1074 There should be more documentation, but there isn't (yet).  Yell if you need it.
1075 </para>
1076 </sect2>
1077
1078
1079 <sect2 id="universal-quantification">
1080 <title>Arbitrary-rank polymorphism
1081 </title>
1082
1083 <para>
1084 Haskell type signatures are implicitly quantified.  The new keyword <literal>forall</literal>
1085 allows us to say exactly what this means.  For example:
1086 </para>
1087 <para>
1088 <programlisting>
1089         g :: b -> b
1090 </programlisting>
1091 means this:
1092 <programlisting>
1093         g :: forall b. (b -> b)
1094 </programlisting>
1095 The two are treated identically.
1096 </para>
1097
1098 <para>
1099 However, GHC's type system supports <emphasis>arbitrary-rank</emphasis> 
1100 explicit universal quantification in
1101 types. 
1102 For example, all the following types are legal:
1103 <programlisting>
1104     f1 :: forall a b. a -> b -> a
1105     g1 :: forall a b. (Ord a, Eq  b) => a -> b -> a
1106
1107     f2 :: (forall a. a->a) -> Int -> Int
1108     g2 :: (forall a. Eq a => [a] -> a -> Bool) -> Int -> Int
1109
1110     f3 :: ((forall a. a->a) -> Int) -> Bool -> Bool
1111 </programlisting>
1112 Here, <literal>f1</literal> and <literal>g1</literal> are rank-1 types, and
1113 can be written in standard Haskell (e.g. <literal>f1 :: a->b->a</literal>).
1114 The <literal>forall</literal> makes explicit the universal quantification that
1115 is implicitly added by Haskell.
1116 </para>
1117 <para>
1118 The functions <literal>f2</literal> and <literal>g2</literal> have rank-2 types;
1119 the <literal>forall</literal> is on the left of a function arrrow.  As <literal>g2</literal>
1120 shows, the polymorphic type on the left of the function arrow can be overloaded.
1121 </para>
1122 <para>
1123 The functions <literal>f3</literal> and <literal>g3</literal> have rank-3 types;
1124 they have rank-2 types on the left of a function arrow.
1125 </para>
1126 <para>
1127 GHC allows types of arbitrary rank; you can nest <literal>forall</literal>s
1128 arbitrarily deep in function arrows.   (GHC used to be restricted to rank 2, but
1129 that restriction has now been lifted.)
1130 In particular, a forall-type (also called a "type scheme"),
1131 including an operational type class context, is legal:
1132 <itemizedlist>
1133 <listitem> <para> On the left of a function arrow </para> </listitem>
1134 <listitem> <para> On the right of a function arrow (see <xref linkend="hoist">) </para> </listitem>
1135 <listitem> <para> As the argument of a constructor, or type of a field, in a data type declaration. For
1136 example, any of the <literal>f1,f2,f3,g1,g2,g3</literal> above would be valid
1137 field type signatures.</para> </listitem>
1138 <listitem> <para> As the type of an implicit parameter </para> </listitem>
1139 <listitem> <para> In a pattern type signature (see <xref linkend="scoped-type-variables">) </para> </listitem>
1140 </itemizedlist>
1141 There is one place you cannot put a <literal>forall</literal>:
1142 you cannot instantiate a type variable with a forall-type.  So you cannot 
1143 make a forall-type the argument of a type constructor.  So these types are illegal:
1144 <programlisting>
1145     x1 :: [forall a. a->a]
1146     x2 :: (forall a. a->a, Int)
1147     x3 :: Maybe (forall a. a->a)
1148 </programlisting>
1149 Of course <literal>forall</literal> becomes a keyword; you can't use <literal>forall</literal> as
1150 a type variable any more!
1151 </para>
1152
1153
1154 <sect3 id="univ">
1155 <title>Examples
1156 </title>
1157
1158 <para>
1159 In a <literal>data</literal> or <literal>newtype</literal> declaration one can quantify
1160 the types of the constructor arguments.  Here are several examples:
1161 </para>
1162
1163 <para>
1164
1165 <programlisting>
1166 data T a = T1 (forall b. b -> b -> b) a
1167
1168 data MonadT m = MkMonad { return :: forall a. a -> m a,
1169                           bind   :: forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b
1170                         }
1171
1172 newtype Swizzle = MkSwizzle (Ord a => [a] -> [a])
1173 </programlisting>
1174
1175 </para>
1176
1177 <para>
1178 The constructors have rank-2 types:
1179 </para>
1180
1181 <para>
1182
1183 <programlisting>
1184 T1 :: forall a. (forall b. b -> b -> b) -> a -> T a
1185 MkMonad :: forall m. (forall a. a -> m a)
1186                   -> (forall a b. m a -> (a -> m b) -> m b)
1187                   -> MonadT m
1188 MkSwizzle :: (Ord a => [a] -> [a]) -> Swizzle
1189 </programlisting>
1190
1191 </para>
1192
1193 <para>
1194 Notice that you don't need to use a <literal>forall</literal> if there's an
1195 explicit context.  For example in the first argument of the
1196 constructor <function>MkSwizzle</function>, an implicit "<literal>forall a.</literal>" is
1197 prefixed to the argument type.  The implicit <literal>forall</literal>
1198 quantifies all type variables that are not already in scope, and are
1199 mentioned in the type quantified over.
1200 </para>
1201
1202 <para>
1203 As for type signatures, implicit quantification happens for non-overloaded
1204 types too.  So if you write this:
1205
1206 <programlisting>
1207   data T a = MkT (Either a b) (b -> b)
1208 </programlisting>
1209
1210 it's just as if you had written this:
1211
1212 <programlisting>
1213   data T a = MkT (forall b. Either a b) (forall b. b -> b)
1214 </programlisting>
1215
1216 That is, since the type variable <literal>b</literal> isn't in scope, it's
1217 implicitly universally quantified.  (Arguably, it would be better
1218 to <emphasis>require</emphasis> explicit quantification on constructor arguments
1219 where that is what is wanted.  Feedback welcomed.)
1220 </para>
1221
1222 <para>
1223 You construct values of types <literal>T1, MonadT, Swizzle</literal> by applying
1224 the constructor to suitable values, just as usual.  For example,
1225 </para>
1226
1227 <para>
1228
1229 <programlisting>
1230     a1 :: T Int
1231     a1 = T1 (\xy->x) 3
1232     
1233     a2, a3 :: Swizzle
1234     a2 = MkSwizzle sort
1235     a3 = MkSwizzle reverse
1236     
1237     a4 :: MonadT Maybe
1238     a4 = let r x = Just x
1239              b m k = case m of
1240                        Just y -> k y
1241                        Nothing -> Nothing
1242          in
1243          MkMonad r b
1244
1245     mkTs :: (forall b. b -> b -> b) -> a -> [T a]
1246     mkTs f x y = [T1 f x, T1 f y]
1247 </programlisting>
1248
1249 </para>
1250
1251 <para>
1252 The type of the argument can, as usual, be more general than the type
1253 required, as <literal>(MkSwizzle reverse)</literal> shows.  (<function>reverse</function>
1254 does not need the <literal>Ord</literal> constraint.)
1255 </para>
1256
1257 <para>
1258 When you use pattern matching, the bound variables may now have
1259 polymorphic types.  For example:
1260 </para>
1261
1262 <para>
1263
1264 <programlisting>
1265     f :: T a -> a -> (a, Char)
1266     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
1267
1268     g :: (Ord a, Ord b) => Swizzle -> [a] -> (a -> b) -> [b]
1269     g (MkSwizzle s) xs f = s (map f (s xs))
1270
1271     h :: MonadT m -> [m a] -> m [a]
1272     h m [] = return m []
1273     h m (x:xs) = bind m x          $ \y ->
1274                  bind m (h m xs)   $ \ys ->
1275                  return m (y:ys)
1276 </programlisting>
1277
1278 </para>
1279
1280 <para>
1281 In the function <function>h</function> we use the record selectors <literal>return</literal>
1282 and <literal>bind</literal> to extract the polymorphic bind and return functions
1283 from the <literal>MonadT</literal> data structure, rather than using pattern
1284 matching.
1285 </para>
1286 </sect3>
1287
1288 <sect3>
1289 <title>Type inference</title>
1290
1291 <para>
1292 In general, type inference for arbitrary-rank types is undecideable.
1293 GHC uses an algorithm proposed by Odersky and Laufer ("Putting type annotations to work", POPL'96)
1294 to get a decidable algorithm by requiring some help from the programmer.
1295 We do not yet have a formal specification of "some help" but the rule is this:
1296 </para>
1297 <para>
1298 <emphasis>For a lambda-bound or case-bound variable, x, either the programmer
1299 provides an explicit polymorphic type for x, or GHC's type inference will assume
1300 that x's type has no foralls in it</emphasis>.
1301 </para>
1302 <para>
1303 What does it mean to "provide" an explicit type for x?  You can do that by 
1304 giving a type signature for x directly, using a pattern type signature
1305 (<xref linkend="scoped-type-variables">), thus:
1306 <programlisting>
1307      \ f :: (forall a. a->a) -> (f True, f 'c')
1308 </programlisting>
1309 Alternatively, you can give a type signature to the enclosing
1310 context, which GHC can "push down" to find the type for the variable:
1311 <programlisting>
1312      (\ f -> (f True, f 'c')) :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
1313 </programlisting>
1314 Here the type signature on the expression can be pushed inwards
1315 to give a type signature for f.  Similarly, and more commonly,
1316 one can give a type signature for the function itself:
1317 <programlisting>
1318      h :: (forall a. a->a) -> (Bool,Char)
1319      h f = (f True, f 'c')
1320 </programlisting>
1321 You don't need to give a type signature if the lambda bound variable
1322 is a constructor argument.  Here is an example we saw earlier:
1323 <programlisting>
1324     f :: T a -> a -> (a, Char)
1325     f (T1 w k) x = (w k x, w 'c' 'd')
1326 </programlisting>
1327 Here we do not need to give a type signature to <literal>w</literal>, because
1328 it is an argument of constructor <literal>T1</literal> and that tells GHC all
1329 it needs to know.
1330 </para>
1331
1332 </sect3>
1333
1334
1335 <sect3 id="implicit-quant">
1336 <title>Implicit quantification</title>
1337
1338 <para>
1339 GHC performs implicit quantification as follows.  <emphasis>At the top level (only) of 
1340 user-written types, if and only if there is no explicit <literal>forall</literal>,
1341 GHC finds all the type variables mentioned in the type that are not already
1342 in scope, and universally quantifies them.</emphasis>  For example, the following pairs are 
1343 equivalent:
1344 <programlisting>
1345   f :: a -> a
1346   f :: forall a. a -> a
1347
1348   g (x::a) = let
1349                 h :: a -> b -> b
1350                 h x y = y
1351              in ...
1352   g (x::a) = let
1353                 h :: forall b. a -> b -> b
1354                 h x y = y
1355              in ...
1356 </programlisting>
1357 </para>
1358 <para>
1359 Notice that GHC does <emphasis>not</emphasis> find the innermost possible quantification
1360 point.  For example:
1361 <programlisting>
1362   f :: (a -> a) -> Int
1363            -- MEANS
1364   f :: forall a. (a -> a) -> Int
1365            -- NOT
1366   f :: (forall a. a -> a) -> Int
1367
1368
1369   g :: (Ord a => a -> a) -> Int
1370            -- MEANS the illegal type
1371   g :: forall a. (Ord a => a -> a) -> Int
1372            -- NOT
1373   g :: (forall a. Ord a => a -> a) -> Int
1374 </programlisting>
1375 The latter produces an illegal type, which you might think is silly,
1376 but at least the rule is simple.  If you want the latter type, you
1377 can write your for-alls explicitly.  Indeed, doing so is strongly advised
1378 for rank-2 types.
1379 </para>
1380 </sect3>
1381 </sect2>
1382
1383 <sect2 id="type-synonyms">
1384 <title>Liberalised type synonyms 
1385 </title>
1386
1387 <para>
1388 Type synonmys are like macros at the type level, and
1389 GHC does validity checking on types <emphasis>only after expanding type synonyms</emphasis>.
1390 That means that GHC can be very much more liberal about type synonyms than Haskell 98:
1391 <itemizedlist>
1392 <listitem> <para>You can write a <literal>forall</literal> (including overloading)
1393 in a type synonym, thus:
1394 <programlisting>
1395   type Discard a = forall b. Show b => a -> b -> (a, String)
1396
1397   f :: Discard a
1398   f x y = (x, show y)
1399
1400   g :: Discard Int -> (Int,Bool)    -- A rank-2 type
1401   g f = f Int True
1402 </programlisting>
1403 </para>
1404 </listitem>
1405
1406 <listitem><para>
1407 You can write an unboxed tuple in a type synonym:
1408 <programlisting>
1409   type Pr = (# Int, Int #)
1410
1411   h :: Int -> Pr
1412   h x = (# x, x #)
1413 </programlisting>
1414 </para></listitem>
1415
1416 <listitem><para>
1417 You can apply a type synonym to a forall type:
1418 <programlisting>
1419   type Foo a = a -> a -> Bool
1420  
1421   f :: Foo (forall b. b->b)
1422 </programlisting>
1423 After expanding the synonym, <literal>f</literal> has the legal (in GHC) type:
1424 <programlisting>
1425   f :: (forall b. b->b) -> (forall b. b->b) -> Bool
1426 </programlisting>
1427 </para></listitem>
1428
1429 <listitem><para>
1430 You can apply a type synonym to a partially applied type synonym:
1431 <programlisting>
1432   type Generic i o = forall x. i x -> o x
1433   type Id x = x
1434   
1435   foo :: Generic Id []
1436 </programlisting>
1437 After epxanding the synonym, <literal>foo</literal> has the legal (in GHC) type:
1438 <programlisting>
1439   foo :: forall x. x -> [x]
1440 </programlisting>
1441 </para></listitem>
1442
1443 </itemizedlist>
1444 </para>
1445
1446 <para>
1447 GHC currently does kind checking before expanding synonyms (though even that
1448 could be changed.)
1449 </para>
1450 <para>
1451 After expanding type synonyms, GHC does validity checking on types, looking for
1452 the following mal-formedness which isn't detected simply by kind checking:
1453 <itemizedlist>
1454 <listitem><para>
1455 Type constructor applied to a type involving for-alls.
1456 </para></listitem>
1457 <listitem><para>
1458 Unboxed tuple on left of an arrow.
1459 </para></listitem>
1460 <listitem><para>
1461 Partially-applied type synonym.
1462 </para></listitem>
1463 </itemizedlist>
1464 So, for example,
1465 this will be rejected:
1466 <programlisting>
1467   type Pr = (# Int, Int #)
1468
1469   h :: Pr -> Int
1470   h x = ...
1471 </programlisting>
1472 because GHC does not allow  unboxed tuples on the left of a function arrow.
1473 </para>
1474 </sect2>
1475
1476 <sect2 id="hoist">
1477 <title>For-all hoisting</title>
1478 <para>
1479 It is often convenient to use generalised type synonyms at the right hand
1480 end of an arrow, thus:
1481 <programlisting>
1482   type Discard a = forall b. a -> b -> a
1483
1484   g :: Int -> Discard Int
1485   g x y z = x+y
1486 </programlisting>
1487 Simply expanding the type synonym would give
1488 <programlisting>
1489   g :: Int -> (forall b. Int -> b -> Int)
1490 </programlisting>
1491 but GHC "hoists" the <literal>forall</literal> to give the isomorphic type
1492 <programlisting>
1493   g :: forall b. Int -> Int -> b -> Int
1494 </programlisting>
1495 In general, the rule is this: <emphasis>to determine the type specified by any explicit
1496 user-written type (e.g. in a type signature), GHC expands type synonyms and then repeatedly
1497 performs the transformation:</emphasis>
1498 <programlisting>
1499   <emphasis>type1</emphasis> -> forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type2</emphasis>
1500 ==>
1501   forall a1..an. <emphasis>context2</emphasis> => <emphasis>type1</emphasis> -> <emphasis>type2</emphasis>
1502 </programlisting>
1503 (In fact, GHC tries to retain as much synonym information as possible for use in
1504 error messages, but that is a usability issue.)  This rule applies, of course, whether
1505 or not the <literal>forall</literal> comes from a synonym. For example, here is another
1506 valid way to write <literal>g</literal>'s type signature:
1507 <programlisting>
1508   g :: Int -> Int -> forall b. b -> Int
1509 </programlisting>
1510 </para>
1511 </sect2>
1512
1513
1514 <sect2 id="existential-quantification">
1515 <title>Existentially quantified data constructors
1516 </title>
1517
1518 <para>
1519 The idea of using existential quantification in data type declarations
1520 was suggested by Laufer (I believe, thought doubtless someone will
1521 correct me), and implemented in Hope+. It's been in Lennart
1522 Augustsson's <Command>hbc</Command> Haskell compiler for several years, and
1523 proved very useful.  Here's the idea.  Consider the declaration:
1524 </para>
1525
1526 <para>
1527
1528 <programlisting>
1529   data Foo = forall a. MkFoo a (a -> Bool)
1530            | Nil
1531 </programlisting>
1532
1533 </para>
1534
1535 <para>
1536 The data type <literal>Foo</literal> has two constructors with types:
1537 </para>
1538
1539 <para>
1540
1541 <programlisting>
1542   MkFoo :: forall a. a -> (a -> Bool) -> Foo
1543   Nil   :: Foo
1544 </programlisting>
1545
1546 </para>
1547
1548 <para>
1549 Notice that the type variable <literal>a</literal> in the type of <function>MkFoo</function>
1550 does not appear in the data type itself, which is plain <literal>Foo</literal>.
1551 For example, the following expression is fine:
1552 </para>
1553
1554 <para>
1555
1556 <programlisting>
1557   [MkFoo 3 even, MkFoo 'c' isUpper] :: [Foo]
1558 </programlisting>
1559
1560 </para>
1561
1562 <para>
1563 Here, <literal>(MkFoo 3 even)</literal> packages an integer with a function
1564 <function>even</function> that maps an integer to <literal>Bool</literal>; and <function>MkFoo 'c'
1565 isUpper</function> packages a character with a compatible function.  These
1566 two things are each of type <literal>Foo</literal> and can be put in a list.
1567 </para>
1568
1569 <para>
1570 What can we do with a value of type <literal>Foo</literal>?.  In particular,
1571 what happens when we pattern-match on <function>MkFoo</function>?
1572 </para>
1573
1574 <para>
1575
1576 <programlisting>
1577   f (MkFoo val fn) = ???
1578 </programlisting>
1579
1580 </para>
1581
1582 <para>
1583 Since all we know about <literal>val</literal> and <function>fn</function> is that they
1584 are compatible, the only (useful) thing we can do with them is to
1585 apply <function>fn</function> to <literal>val</literal> to get a boolean.  For example:
1586 </para>
1587
1588 <para>
1589
1590 <programlisting>
1591   f :: Foo -> Bool
1592   f (MkFoo val fn) = fn val
1593 </programlisting>
1594
1595 </para>
1596
1597 <para>
1598 What this allows us to do is to package heterogenous values
1599 together with a bunch of functions that manipulate them, and then treat
1600 that collection of packages in a uniform manner.  You can express
1601 quite a bit of object-oriented-like programming this way.
1602 </para>
1603
1604 <sect3 id="existential">
1605 <title>Why existential?
1606 </title>
1607
1608 <para>
1609 What has this to do with <emphasis>existential</emphasis> quantification?
1610 Simply that <function>MkFoo</function> has the (nearly) isomorphic type
1611 </para>
1612
1613 <para>
1614
1615 <programlisting>
1616   MkFoo :: (exists a . (a, a -> Bool)) -> Foo
1617 </programlisting>
1618
1619 </para>
1620
1621 <para>
1622 But Haskell programmers can safely think of the ordinary
1623 <emphasis>universally</emphasis> quantified type given above, thereby avoiding
1624 adding a new existential quantification construct.
1625 </para>
1626
1627 </sect3>
1628
1629 <sect3>
1630 <title>Type classes</title>
1631
1632 <para>
1633 An easy extension (implemented in <Command>hbc</Command>) is to allow
1634 arbitrary contexts before the constructor.  For example:
1635 </para>
1636
1637 <para>
1638
1639 <programlisting>
1640 data Baz = forall a. Eq a => Baz1 a a
1641          | forall b. Show b => Baz2 b (b -> b)
1642 </programlisting>
1643
1644 </para>
1645
1646 <para>
1647 The two constructors have the types you'd expect:
1648 </para>
1649
1650 <para>
1651
1652 <programlisting>
1653 Baz1 :: forall a. Eq a => a -> a -> Baz
1654 Baz2 :: forall b. Show b => b -> (b -> b) -> Baz
1655 </programlisting>
1656
1657 </para>
1658
1659 <para>
1660 But when pattern matching on <function>Baz1</function> the matched values can be compared
1661 for equality, and when pattern matching on <function>Baz2</function> the first matched
1662 value can be converted to a string (as well as applying the function to it).
1663 So this program is legal:
1664 </para>
1665
1666 <para>
1667
1668 <programlisting>
1669   f :: Baz -> String
1670   f (Baz1 p q) | p == q    = "Yes"
1671                | otherwise = "No"
1672   f (Baz2 v fn)            = show (fn v)
1673 </programlisting>
1674
1675 </para>
1676
1677 <para>
1678 Operationally, in a dictionary-passing implementation, the
1679 constructors <function>Baz1</function> and <function>Baz2</function> must store the
1680 dictionaries for <literal>Eq</literal> and <literal>Show</literal> respectively, and
1681 extract it on pattern matching.
1682 </para>
1683
1684 <para>
1685 Notice the way that the syntax fits smoothly with that used for
1686 universal quantification earlier.
1687 </para>
1688
1689 </sect3>
1690
1691 <sect3>
1692 <title>Restrictions</title>
1693
1694 <para>
1695 There are several restrictions on the ways in which existentially-quantified
1696 constructors can be use.
1697 </para>
1698
1699 <para>
1700
1701 <itemizedlist>
1702 <listitem>
1703
1704 <para>
1705  When pattern matching, each pattern match introduces a new,
1706 distinct, type for each existential type variable.  These types cannot
1707 be unified with any other type, nor can they escape from the scope of
1708 the pattern match.  For example, these fragments are incorrect:
1709
1710
1711 <programlisting>
1712 f1 (MkFoo a f) = a
1713 </programlisting>
1714
1715
1716 Here, the type bound by <function>MkFoo</function> "escapes", because <literal>a</literal>
1717 is the result of <function>f1</function>.  One way to see why this is wrong is to
1718 ask what type <function>f1</function> has:
1719
1720
1721 <programlisting>
1722   f1 :: Foo -> a             -- Weird!
1723 </programlisting>
1724
1725
1726 What is this "<literal>a</literal>" in the result type? Clearly we don't mean
1727 this:
1728
1729
1730 <programlisting>
1731   f1 :: forall a. Foo -> a   -- Wrong!
1732 </programlisting>
1733
1734
1735 The original program is just plain wrong.  Here's another sort of error
1736
1737
1738 <programlisting>
1739   f2 (Baz1 a b) (Baz1 p q) = a==q
1740 </programlisting>
1741
1742
1743 It's ok to say <literal>a==b</literal> or <literal>p==q</literal>, but
1744 <literal>a==q</literal> is wrong because it equates the two distinct types arising
1745 from the two <function>Baz1</function> constructors.
1746
1747
1748 </para>
1749 </listitem>
1750 <listitem>
1751
1752 <para>
1753 You can't pattern-match on an existentially quantified
1754 constructor in a <literal>let</literal> or <literal>where</literal> group of
1755 bindings. So this is illegal:
1756
1757
1758 <programlisting>
1759   f3 x = a==b where { Baz1 a b = x }
1760 </programlisting>
1761
1762
1763 You can only pattern-match
1764 on an existentially-quantified constructor in a <literal>case</literal> expression or
1765 in the patterns of a function definition.
1766
1767 The reason for this restriction is really an implementation one.
1768 Type-checking binding groups is already a nightmare without
1769 existentials complicating the picture.  Also an existential pattern
1770 binding at the top level of a module doesn't make sense, because it's
1771 not clear how to prevent the existentially-quantified type "escaping".
1772 So for now, there's a simple-to-state restriction.  We'll see how
1773 annoying it is.
1774
1775 </para>
1776 </listitem>
1777 <listitem>
1778
1779 <para>
1780 You can't use existential quantification for <literal>newtype</literal>
1781 declarations.  So this is illegal:
1782
1783
1784 <programlisting>
1785   newtype T = forall a. Ord a => MkT a
1786 </programlisting>
1787
1788
1789 Reason: a value of type <literal>T</literal> must be represented as a pair
1790 of a dictionary for <literal>Ord t</literal> and a value of type <literal>t</literal>.
1791 That contradicts the idea that <literal>newtype</literal> should have no
1792 concrete representation.  You can get just the same efficiency and effect
1793 by using <literal>data</literal> instead of <literal>newtype</literal>.  If there is no
1794 overloading involved, then there is more of a case for allowing
1795 an existentially-quantified <literal>newtype</literal>, because the <literal>data</literal>
1796 because the <literal>data</literal> version does carry an implementation cost,
1797 but single-field existentially quantified constructors aren't much
1798 use.  So the simple restriction (no existential stuff on <literal>newtype</literal>)
1799 stands, unless there are convincing reasons to change it.
1800
1801
1802 </para>
1803 </listitem>
1804 <listitem>
1805
1806 <para>
1807  You can't use <literal>deriving</literal> to define instances of a
1808 data type with existentially quantified data constructors.
1809
1810 Reason: in most cases it would not make sense. For example:&num;
1811
1812 <programlisting>
1813 data T = forall a. MkT [a] deriving( Eq )
1814 </programlisting>
1815
1816 To derive <literal>Eq</literal> in the standard way we would need to have equality
1817 between the single component of two <function>MkT</function> constructors:
1818
1819 <programlisting>
1820 instance Eq T where
1821   (MkT a) == (MkT b) = ???
1822 </programlisting>
1823
1824 But <VarName>a</VarName> and <VarName>b</VarName> have distinct types, and so can't be compared.
1825 It's just about possible to imagine examples in which the derived instance
1826 would make sense, but it seems altogether simpler simply to prohibit such
1827 declarations.  Define your own instances!
1828 </para>
1829 </listitem>
1830
1831 </itemizedlist>
1832
1833 </para>
1834
1835 </sect3>
1836
1837 </sect2>
1838
1839 <sect2 id="scoped-type-variables">
1840 <title>Scoped type variables
1841 </title>
1842
1843 <para>
1844 A <emphasis>pattern type signature</emphasis> can introduce a <emphasis>scoped type
1845 variable</emphasis>.  For example
1846 </para>
1847
1848 <para>
1849
1850 <programlisting>
1851 f (xs::[a]) = ys ++ ys
1852            where
1853               ys :: [a]
1854               ys = reverse xs
1855 </programlisting>
1856
1857 </para>
1858
1859 <para>
1860 The pattern <literal>(xs::[a])</literal> includes a type signature for <VarName>xs</VarName>.
1861 This brings the type variable <literal>a</literal> into scope; it scopes over
1862 all the patterns and right hand sides for this equation for <function>f</function>.
1863 In particular, it is in scope at the type signature for <VarName>y</VarName>.
1864 </para>
1865
1866 <para>
1867  Pattern type signatures are completely orthogonal to ordinary, separate
1868 type signatures.  The two can be used independently or together.
1869 At ordinary type signatures, such as that for <VarName>ys</VarName>, any type variables
1870 mentioned in the type signature <emphasis>that are not in scope</emphasis> are
1871 implicitly universally quantified.  (If there are no type variables in
1872 scope, all type variables mentioned in the signature are universally
1873 quantified, which is just as in Haskell 98.)  In this case, since <VarName>a</VarName>
1874 is in scope, it is not universally quantified, so the type of <VarName>ys</VarName> is
1875 the same as that of <VarName>xs</VarName>.  In Haskell 98 it is not possible to declare
1876 a type for <VarName>ys</VarName>; a major benefit of scoped type variables is that
1877 it becomes possible to do so.
1878 </para>
1879
1880 <para>
1881 Scoped type variables are implemented in both GHC and Hugs.  Where the
1882 implementations differ from the specification below, those differences
1883 are noted.
1884 </para>
1885
1886 <para>
1887 So much for the basic idea.  Here are the details.
1888 </para>
1889
1890 <sect3>
1891 <title>What a pattern type signature means</title>
1892 <para>
1893 A type variable brought into scope by a pattern type signature is simply
1894 the name for a type.   The restriction they express is that all occurrences
1895 of the same name mean the same type.  For example:
1896 <programlisting>
1897   f :: [Int] -> Int -> Int
1898   f (xs::[a]) (y::a) = (head xs + y) :: a
1899 </programlisting>
1900 The pattern type signatures on the left hand side of
1901 <literal>f</literal> express the fact that <literal>xs</literal>
1902 must be a list of things of some type <literal>a</literal>; and that <literal>y</literal>
1903 must have this same type.  The type signature on the expression <literal>(head xs)</literal>
1904 specifies that this expression must have the same type <literal>a</literal>.
1905 <emphasis>There is no requirement that the type named by "<literal>a</literal>" is
1906 in fact a type variable</emphasis>.  Indeed, in this case, the type named by "<literal>a</literal>" is
1907 <literal>Int</literal>.  (This is a slight liberalisation from the original rather complex
1908 rules, which specified that a pattern-bound type variable should be universally quantified.)
1909 For example, all of these are legal:</para>
1910
1911 <programlisting>
1912   t (x::a) (y::a) = x+y*2
1913
1914   f (x::a) (y::b) = [x,y]       -- a unifies with b
1915
1916   g (x::a) = x + 1::Int         -- a unifies with Int
1917
1918   h x = let k (y::a) = [x,y]    -- a is free in the
1919         in k x                  -- environment
1920
1921   k (x::a) True    = ...        -- a unifies with Int
1922   k (x::Int) False = ...
1923
1924   w :: [b] -> [b]
1925   w (x::a) = x                  -- a unifies with [b]
1926 </programlisting>
1927
1928 </sect3>
1929
1930 <sect3>
1931 <title>Scope and implicit quantification</title>
1932
1933 <para>
1934
1935 <itemizedlist>
1936 <listitem>
1937
1938 <para>
1939 All the type variables mentioned in a pattern,
1940 that are not already in scope,
1941 are brought into scope by the pattern.  We describe this set as
1942 the <emphasis>type variables bound by the pattern</emphasis>.
1943 For example:
1944 <programlisting>
1945   f (x::a) = let g (y::(a,b)) = fst y
1946              in
1947              g (x,True)
1948 </programlisting>
1949 The pattern <literal>(x::a)</literal> brings the type variable
1950 <literal>a</literal> into scope, as well as the term 
1951 variable <literal>x</literal>.  The pattern <literal>(y::(a,b))</literal>
1952 contains an occurrence of the already-in-scope type variable <literal>a</literal>,
1953 and brings into scope the type variable <literal>b</literal>.
1954 </para>
1955 </listitem>
1956
1957 <listitem>
1958 <para>
1959 The type variable(s) bound by the pattern have the same scope
1960 as the term variable(s) bound by the pattern.  For example:
1961 <programlisting>
1962   let
1963     f (x::a) = <...rhs of f...>
1964     (p::b, q::b) = (1,2)
1965   in <...body of let...>
1966 </programlisting>
1967 Here, the type variable <literal>a</literal> scopes over the right hand side of <literal>f</literal>,
1968 just like <literal>x</literal> does; while the type variable <literal>b</literal> scopes over the
1969 body of the <literal>let</literal>, and all the other definitions in the <literal>let</literal>,
1970 just like <literal>p</literal> and <literal>q</literal> do.
1971 Indeed, the newly bound type variables also scope over any ordinary, separate
1972 type signatures in the <literal>let</literal> group.
1973 </para>
1974 </listitem>
1975
1976
1977 <listitem>
1978 <para>
1979 The type variables bound by the pattern may be 
1980 mentioned in ordinary type signatures or pattern 
1981 type signatures anywhere within their scope.
1982
1983 </para>
1984 </listitem>
1985
1986 <listitem>
1987 <para>
1988  In ordinary type signatures, any type variable mentioned in the
1989 signature that is in scope is <emphasis>not</emphasis> universally quantified.
1990
1991 </para>
1992 </listitem>
1993
1994 <listitem>
1995
1996 <para>
1997  Ordinary type signatures do not bring any new type variables
1998 into scope (except in the type signature itself!). So this is illegal:
1999
2000 <programlisting>
2001   f :: a -> a
2002   f x = x::a
2003 </programlisting>
2004
2005 It's illegal because <VarName>a</VarName> is not in scope in the body of <function>f</function>,
2006 so the ordinary signature <literal>x::a</literal> is equivalent to <literal>x::forall a.a</literal>;
2007 and that is an incorrect typing.
2008
2009 </para>
2010 </listitem>
2011
2012 <listitem>
2013 <para>
2014 The pattern type signature is a monotype:
2015 </para>
2016
2017 <itemizedlist>
2018 <listitem> <para> 
2019 A pattern type signature cannot contain any explicit <literal>forall</literal> quantification.
2020 </para> </listitem>
2021
2022 <listitem>  <para> 
2023 The type variables bound by a pattern type signature can only be instantiated to monotypes,
2024 not to type schemes.
2025 </para> </listitem>
2026
2027 <listitem>  <para> 
2028 There is no implicit universal quantification on pattern type signatures (in contrast to
2029 ordinary type signatures).
2030 </para> </listitem>
2031
2032 </itemizedlist>
2033
2034 </listitem>
2035
2036 <listitem>
2037 <para>
2038
2039 The type variables in the head of a <literal>class</literal> or <literal>instance</literal> declaration
2040 scope over the methods defined in the <literal>where</literal> part.  For example:
2041
2042
2043 <programlisting>
2044   class C a where
2045     op :: [a] -> a
2046
2047     op xs = let ys::[a]
2048                 ys = reverse xs
2049             in
2050             head ys
2051 </programlisting>
2052
2053
2054 (Not implemented in Hugs yet, Dec 98).
2055 </para>
2056 </listitem>
2057
2058 </itemizedlist>
2059
2060 </para>
2061
2062 </sect3>
2063
2064 <sect3>
2065 <title>Result type signatures</title>
2066
2067 <para>
2068
2069 <itemizedlist>
2070 <listitem>
2071
2072 <para>
2073  The result type of a function can be given a signature,
2074 thus:
2075
2076
2077 <programlisting>
2078   f (x::a) :: [a] = [x,x,x]
2079 </programlisting>
2080
2081
2082 The final <literal>:: [a]</literal> after all the patterns gives a signature to the
2083 result type.  Sometimes this is the only way of naming the type variable
2084 you want:
2085
2086
2087 <programlisting>
2088   f :: Int -> [a] -> [a]
2089   f n :: ([a] -> [a]) = let g (x::a, y::a) = (y,x)
2090                         in \xs -> map g (reverse xs `zip` xs)
2091 </programlisting>
2092
2093
2094 </para>
2095 </listitem>
2096
2097 </itemizedlist>
2098
2099 </para>
2100
2101 <para>
2102 Result type signatures are not yet implemented in Hugs.
2103 </para>
2104
2105 </sect3>
2106
2107 <sect3>
2108 <title>Where a pattern type signature can occur</title>
2109
2110 <para>
2111 A pattern type signature can occur in any pattern.  For example:
2112 <itemizedlist>
2113
2114 <listitem>
2115 <para>
2116 A pattern type signature can be on an arbitrary sub-pattern, not
2117 ust on a variable:
2118
2119
2120 <programlisting>
2121   f ((x,y)::(a,b)) = (y,x) :: (b,a)
2122 </programlisting>
2123
2124
2125 </para>
2126 </listitem>
2127 <listitem>
2128
2129 <para>
2130  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2131 in lambda abstractions:
2132
2133 <programlisting>
2134   (\ (x::a, y) :: a -> x)
2135 </programlisting>
2136 </para>
2137 </listitem>
2138 <listitem>
2139
2140 <para>
2141  Pattern type signatures, including the result part, can be used
2142 in <literal>case</literal> expressions:
2143
2144
2145 <programlisting>
2146   case e of { (x::a, y) :: a -> x }
2147 </programlisting>
2148
2149 </para>
2150 </listitem>
2151
2152 <listitem>
2153 <para>
2154 To avoid ambiguity, the type after the &ldquo;<literal>::</literal>&rdquo; in a result
2155 pattern signature on a lambda or <literal>case</literal> must be atomic (i.e. a single
2156 token or a parenthesised type of some sort).  To see why,
2157 consider how one would parse this:
2158
2159
2160 <programlisting>
2161   \ x :: a -> b -> x
2162 </programlisting>
2163
2164
2165 </para>
2166 </listitem>
2167
2168 <listitem>
2169
2170 <para>
2171  Pattern type signatures can bind existential type variables.
2172 For example:
2173
2174
2175 <programlisting>
2176   data T = forall a. MkT [a]
2177
2178   f :: T -> T
2179   f (MkT [t::a]) = MkT t3
2180                  where
2181                    t3::[a] = [t,t,t]
2182 </programlisting>
2183
2184
2185 </para>
2186 </listitem>
2187
2188
2189 <listitem>
2190
2191 <para>
2192 Pattern type signatures 
2193 can be used in pattern bindings:
2194
2195 <programlisting>
2196   f x = let (y, z::a) = x in ...
2197   f1 x                = let (y, z::Int) = x in ...
2198   f2 (x::(Int,a))     = let (y, z::a)   = x in ...
2199   f3 :: (b->b)        = \x -> x
2200 </programlisting>
2201
2202 In all such cases, the binding is not generalised over the pattern-bound
2203 type variables.  Thus <literal>f3</literal> is monomorphic; <literal>f3</literal>
2204 has type <literal>b -&gt; b</literal> for some type <literal>b</literal>, 
2205 and <emphasis>not</emphasis> <literal>forall b. b -&gt; b</literal>.
2206 In contrast, the binding
2207 <programlisting>
2208   f4 :: b->b
2209   f4 = \x -> x
2210 </programlisting>
2211 makes a polymorphic function, but <literal>b</literal> is not in scope anywhere
2212 in <literal>f4</literal>'s scope.
2213
2214 </para>
2215 </listitem>
2216 </itemizedlist>
2217 </para>
2218
2219 </sect3>
2220 </sect2>
2221
2222 <sect2 id="sec-kinding">
2223 <title>Explicitly-kinded quantification</title>
2224
2225 <para>
2226 Haskell infers the kind of each type variable.  Sometimes it is nice to be able
2227 to give the kind explicitly as (machine-checked) documentation, 
2228 just as it is nice to give a type signature for a function.  On some occasions,
2229 it is essential to do so.  For example, in his paper "Restricted Data Types in Haskell" (Haskell Workshop 1999)
2230 John Hughes had to define the data type:
2231 <Screen>
2232      data Set cxt a = Set [a]
2233                     | Unused (cxt a -> ())
2234 </Screen>
2235 The only use for the <literal>Unused</literal> constructor was to force the correct
2236 kind for the type variable <literal>cxt</literal>.
2237 </para>
2238 <para>
2239 GHC now instead allows you to specify the kind of a type variable directly, wherever
2240 a type variable is explicitly bound.  Namely:
2241 <itemizedlist>
2242 <listitem><para><literal>data</literal> declarations:
2243 <Screen>
2244   data Set (cxt :: * -> *) a = Set [a]
2245 </Screen></para></listitem>
2246 <listitem><para><literal>type</literal> declarations:
2247 <Screen>
2248   type T (f :: * -> *) = f Int
2249 </Screen></para></listitem>
2250 <listitem><para><literal>class</literal> declarations:
2251 <Screen>
2252   class (Eq a) => C (f :: * -> *) a where ...
2253 </Screen></para></listitem>
2254 <listitem><para><literal>forall</literal>'s in type signatures:
2255 <Screen>
2256   f :: forall (cxt :: * -> *). Set cxt Int
2257 </Screen></para></listitem>
2258 </itemizedlist>
2259 </para>
2260
2261 <para>
2262 The parentheses are required.  Some of the spaces are required too, to
2263 separate the lexemes.  If you write <literal>(f::*->*)</literal> you
2264 will get a parse error, because "<literal>::*->*</literal>" is a
2265 single lexeme in Haskell.
2266 </para>
2267
2268 <para>
2269 As part of the same extension, you can put kind annotations in types
2270 as well.  Thus:
2271 <Screen>
2272    f :: (Int :: *) -> Int
2273    g :: forall a. a -> (a :: *)
2274 </Screen>
2275 The syntax is
2276 <Screen>
2277    atype ::= '(' ctype '::' kind ')
2278 </Screen>
2279 The parentheses are required.
2280 </para>
2281 </sect2>
2282
2283 </sect1>
2284 <!-- ==================== End of type system extensions =================  -->
2285   
2286
2287 <!-- ==================== ASSERTIONS =================  -->
2288
2289 <sect1 id="sec-assertions">
2290 <title>Assertions
2291 <indexterm><primary>Assertions</primary></indexterm>
2292 </title>
2293
2294 <para>
2295 If you want to make use of assertions in your standard Haskell code, you
2296 could define a function like the following:
2297 </para>
2298
2299 <para>
2300
2301 <programlisting>
2302 assert :: Bool -> a -> a
2303 assert False x = error "assertion failed!"
2304 assert _     x = x
2305 </programlisting>
2306
2307 </para>
2308
2309 <para>
2310 which works, but gives you back a less than useful error message --
2311 an assertion failed, but which and where?
2312 </para>
2313
2314 <para>
2315 One way out is to define an extended <function>assert</function> function which also
2316 takes a descriptive string to include in the error message and
2317 perhaps combine this with the use of a pre-processor which inserts
2318 the source location where <function>assert</function> was used.
2319 </para>
2320
2321 <para>
2322 Ghc offers a helping hand here, doing all of this for you. For every
2323 use of <function>assert</function> in the user's source:
2324 </para>
2325
2326 <para>
2327
2328 <programlisting>
2329 kelvinToC :: Double -> Double
2330 kelvinToC k = assert (k &gt;= 0.0) (k+273.15)
2331 </programlisting>
2332
2333 </para>
2334
2335 <para>
2336 Ghc will rewrite this to also include the source location where the
2337 assertion was made,
2338 </para>
2339
2340 <para>
2341
2342 <programlisting>
2343 assert pred val ==> assertError "Main.hs|15" pred val
2344 </programlisting>
2345
2346 </para>
2347
2348 <para>
2349 The rewrite is only performed by the compiler when it spots
2350 applications of <function>Control.Exception.assert</function>, so you
2351 can still define and use your own versions of
2352 <function>assert</function>, should you so wish. If not, import
2353 <literal>Control.Exception</literal> to make use
2354 <function>assert</function> in your code.
2355 </para>
2356
2357 <para>
2358 To have the compiler ignore uses of assert, use the compiler option
2359 <option>-fignore-asserts</option>. <indexterm><primary>-fignore-asserts
2360 option</primary></indexterm> That is, expressions of the form
2361 <literal>assert pred e</literal> will be rewritten to
2362 <literal>e</literal>.
2363 </para>
2364
2365 <para>
2366 Assertion failures can be caught, see the documentation for the
2367 <literal>Control.Exception</literal> library for the details.
2368 </para>
2369
2370 </sect1>
2371
2372
2373 <sect1 id="syntax-extns">
2374 <title>Syntactic extensions</title>
2375
2376 <!-- ====================== HIERARCHICAL MODULES =======================  -->
2377
2378     <sect2 id="hierarchical-modules">
2379       <title>Hierarchical Modules</title>
2380
2381       <para>GHC supports a small extension to the syntax of module
2382       names: a module name is allowed to contain a dot
2383       <literal>&lsquo;.&rsquo;</literal>.  This is also known as the
2384       &ldquo;hierarchical module namespace&rdquo; extension, because
2385       it extends the normally flat Haskell module namespace into a
2386       more flexible hierarchy of modules.</para>
2387
2388       <para>A module name in the extended syntax consists of a
2389       sequence of components, each separated by a dot.  When searching
2390       for an interface file (or a source file, in the case of GHCi or
2391       when using <option>--make</option>) for an imported module, GHC
2392       interprets the dot as a path separator.  So for example, if a
2393       module <literal>A.B.C</literal> is imported, then for each
2394       directory <literal>D</literal> on the search path (see the
2395       <option>-i</option> option, <xref
2396       linkend="options-finding-imports">), GHC will look in the
2397       directory <literal>D/A/B</literal><footnote><para>On Windows,
2398       this would be <literal>D\A\B</literal>.</para></footnote> for an
2399       interface file called <filename>C.hi</filename> or a source file
2400       <filename>C.hs</filename> or <filename>C.lhs</filename>.</para>
2401
2402       <para>Note that as far as the compiler is concerned, module
2403       names are always fully qualified; the hierarchy only has a
2404       special meaning when searching for interface files and source
2405       files in the filesystem.  In particular, this means that the
2406       full module name must be given after the
2407       <literal>module</literal> keyword at the beginning of the
2408       module; for example, the module <literal>A.B.C</literal> must
2409       begin</para>
2410
2411 <programlisting>module A.B.C</programlisting>
2412
2413       <para>GHC comes with a large collection of libraries arranged
2414       hierarchically; see the accompanying library documentation.
2415       There is an ongoing project to create and maintain a stable set
2416       of <quote>core</quote> libraries used by several Haskell
2417       compilers, and the libraries that GHC comes with represent the
2418       current status of that project.  For more details, see <ulink
2419       url="http://www.haskell.org/~simonmar/libraries/libraries.html">.</ulink></para>
2420
2421     </sect2>
2422
2423 <!-- ====================== PATTERN GUARDS =======================  -->
2424
2425 <sect2 id="pattern-guards">
2426 <title>Pattern guards</title>
2427
2428 <para>
2429 <indexterm><primary>Pattern guards (Glasgow extension)</primary></indexterm>
2430 The discussion that follows is an abbreviated version of Simon Peyton Jones's original <ULink URL="http://research.microsoft.com/~simonpj/Haskell/guards.html">proposal</ULink>. (Note that the proposal was written before pattern guards were implemented, so refers to them as unimplemented.)
2431 </para>
2432
2433 <para>
2434 Suppose we have an abstract data type of finite maps, with a
2435 lookup operation:
2436
2437 <programlisting>
2438 lookup :: FiniteMap -> Int -> Maybe Int
2439 </programlisting>
2440
2441 The lookup returns <function>Nothing</function> if the supplied key is not in the domain of the mapping, and <function>(Just v)</function> otherwise,
2442 where <VarName>v</VarName> is the value that the key maps to.  Now consider the following definition:
2443 </para>
2444
2445 <programlisting>
2446 clunky env var1 var2 | ok1 && ok2 = val1 + val2
2447 | otherwise  = var1 + var2
2448 where
2449   m1 = lookup env var1
2450   m2 = lookup env var2
2451   ok1 = maybeToBool m1
2452   ok2 = maybeToBool m2
2453   val1 = expectJust m1
2454   val2 = expectJust m2
2455 </programlisting>
2456
2457 <para>
2458 The auxiliary functions are 
2459 </para>
2460
2461 <programlisting>
2462 maybeToBool :: Maybe a -&gt; Bool
2463 maybeToBool (Just x) = True
2464 maybeToBool Nothing  = False
2465
2466 expectJust :: Maybe a -&gt; a
2467 expectJust (Just x) = x
2468 expectJust Nothing  = error "Unexpected Nothing"
2469 </programlisting>
2470
2471 <para>
2472 What is <function>clunky</function> doing? The guard <literal>ok1 &&
2473 ok2</literal> checks that both lookups succeed, using
2474 <function>maybeToBool</function> to convert the <function>Maybe</function>
2475 types to booleans. The (lazily evaluated) <function>expectJust</function>
2476 calls extract the values from the results of the lookups, and binds the
2477 returned values to <VarName>val1</VarName> and <VarName>val2</VarName>
2478 respectively.  If either lookup fails, then clunky takes the
2479 <literal>otherwise</literal> case and returns the sum of its arguments.
2480 </para>
2481
2482 <para>
2483 This is certainly legal Haskell, but it is a tremendously verbose and
2484 un-obvious way to achieve the desired effect.  Arguably, a more direct way
2485 to write clunky would be to use case expressions:
2486 </para>
2487
2488 <programlisting>
2489 clunky env var1 var1 = case lookup env var1 of
2490   Nothing -&gt; fail
2491   Just val1 -&gt; case lookup env var2 of
2492     Nothing -&gt; fail
2493     Just val2 -&gt; val1 + val2
2494 where
2495   fail = val1 + val2
2496 </programlisting>
2497
2498 <para>
2499 This is a bit shorter, but hardly better.  Of course, we can rewrite any set
2500 of pattern-matching, guarded equations as case expressions; that is
2501 precisely what the compiler does when compiling equations! The reason that
2502 Haskell provides guarded equations is because they allow us to write down
2503 the cases we want to consider, one at a time, independently of each other. 
2504 This structure is hidden in the case version.  Two of the right-hand sides
2505 are really the same (<function>fail</function>), and the whole expression
2506 tends to become more and more indented. 
2507 </para>
2508
2509 <para>
2510 Here is how I would write clunky:
2511 </para>
2512
2513 <programlisting>
2514 clunky env var1 var1
2515   | Just val1 &lt;- lookup env var1
2516   , Just val2 &lt;- lookup env var2
2517   = val1 + val2
2518 ...other equations for clunky...
2519 </programlisting>
2520
2521 <para>
2522 The semantics should be clear enough.  The qualifers are matched in order. 
2523 For a <literal>&lt;-</literal> qualifier, which I call a pattern guard, the
2524 right hand side is evaluated and matched against the pattern on the left. 
2525 If the match fails then the whole guard fails and the next equation is
2526 tried.  If it succeeds, then the appropriate binding takes place, and the
2527 next qualifier is matched, in the augmented environment.  Unlike list
2528 comprehensions, however, the type of the expression to the right of the
2529 <literal>&lt;-</literal> is the same as the type of the pattern to its
2530 left.  The bindings introduced by pattern guards scope over all the
2531 remaining guard qualifiers, and over the right hand side of the equation.
2532 </para>
2533
2534 <para>
2535 Just as with list comprehensions, boolean expressions can be freely mixed
2536 with among the pattern guards.  For example:
2537 </para>
2538
2539 <programlisting>
2540 f x | [y] <- x
2541     , y > 3
2542     , Just z <- h y
2543     = ...
2544 </programlisting>
2545
2546 <para>
2547 Haskell's current guards therefore emerge as a special case, in which the
2548 qualifier list has just one element, a boolean expression.
2549 </para>
2550 </sect2>
2551
2552 <!-- ===================== PARALLEL LIST COMPREHENSIONS ===================  -->
2553
2554   <sect2 id="parallel-list-comprehensions">
2555     <title>Parallel List Comprehensions</title>
2556     <indexterm><primary>list comprehensions</primary><secondary>parallel</secondary>
2557     </indexterm>
2558     <indexterm><primary>parallel list comprehensions</primary>
2559     </indexterm>
2560
2561     <para>Parallel list comprehensions are a natural extension to list
2562     comprehensions.  List comprehensions can be thought of as a nice
2563     syntax for writing maps and filters.  Parallel comprehensions
2564     extend this to include the zipWith family.</para>
2565
2566     <para>A parallel list comprehension has multiple independent
2567     branches of qualifier lists, each separated by a `|' symbol.  For
2568     example, the following zips together two lists:</para>
2569
2570 <programlisting>
2571    [ (x, y) | x <- xs | y <- ys ] 
2572 </programlisting>
2573
2574     <para>The behavior of parallel list comprehensions follows that of
2575     zip, in that the resulting list will have the same length as the
2576     shortest branch.</para>
2577
2578     <para>We can define parallel list comprehensions by translation to
2579     regular comprehensions.  Here's the basic idea:</para>
2580
2581     <para>Given a parallel comprehension of the form: </para>
2582
2583 <programlisting>
2584    [ e | p1 <- e11, p2 <- e12, ... 
2585        | q1 <- e21, q2 <- e22, ... 
2586        ... 
2587    ] 
2588 </programlisting>
2589
2590     <para>This will be translated to: </para>
2591
2592 <programlisting>
2593    [ e | ((p1,p2), (q1,q2), ...) <- zipN [(p1,p2) | p1 <- e11, p2 <- e12, ...] 
2594                                          [(q1,q2) | q1 <- e21, q2 <- e22, ...] 
2595                                          ... 
2596    ] 
2597 </programlisting>
2598
2599     <para>where `zipN' is the appropriate zip for the given number of
2600     branches.</para>
2601
2602   </sect2>
2603
2604 <sect2 id="rebindable-syntax">
2605 <title>Rebindable syntax</title>
2606
2607
2608       <para>GHC allows most kinds of built-in syntax to be rebound by
2609       the user, to facilitate replacing the <literal>Prelude</literal>
2610       with a home-grown version, for example.</para>
2611
2612             <para>You may want to define your own numeric class
2613             hierarchy.  It completely defeats that purpose if the
2614             literal "1" means "<literal>Prelude.fromInteger
2615             1</literal>", which is what the Haskell Report specifies.
2616             So the <option>-fno-implicit-prelude</option> flag causes
2617             the following pieces of built-in syntax to refer to
2618             <emphasis>whatever is in scope</emphasis>, not the Prelude
2619             versions:</para>
2620
2621             <itemizedlist>
2622               <listitem>
2623                 <para>Integer and fractional literals mean
2624                 "<literal>fromInteger 1</literal>" and
2625                 "<literal>fromRational 3.2</literal>", not the
2626                 Prelude-qualified versions; both in expressions and in
2627                 patterns. </para>
2628               </listitem>
2629
2630               <listitem>
2631                 <para>Negation (e.g. "<literal>- (f x)</literal>")
2632                 means "<literal>negate (f x)</literal>" (not
2633                 <literal>Prelude.negate</literal>).</para>
2634               </listitem>
2635
2636               <listitem>
2637                 <para>In an n+k pattern, the standard Prelude
2638                 <literal>Ord</literal> class is still used for comparison,
2639                 but the necessary subtraction uses whatever
2640                 "<literal>(-)</literal>" is in scope (not
2641                 "<literal>Prelude.(-)</literal>").</para>
2642               </listitem>
2643
2644               <listitem>
2645           <para>"Do" notation is translated using whatever
2646               functions <literal>(>>=)</literal>,
2647               <literal>(>>)</literal>, <literal>fail</literal>, and
2648               <literal>return</literal>, are in scope (not the Prelude
2649               versions).  List comprehensions, and parallel array
2650               comprehensions, are unaffected.  </para></listitem>
2651             </itemizedlist>
2652
2653              <para>Be warned: this is an experimental facility, with fewer checks than
2654              usual.  In particular, it is essential that the functions GHC finds in scope
2655              must have the appropriate types, namely:
2656              <screen>
2657                 fromInteger  :: forall a. (...) => Integer  -> a
2658                 fromRational :: forall a. (...) => Rational -> a
2659                 negate       :: forall a. (...) => a -> a
2660                 (-)          :: forall a. (...) => a -> a -> a
2661                 (>>=)        :: forall m a. (...) => m a -> (a -> m b) -> m b
2662                 (>>)         :: forall m a. (...) => m a -> m b -> m b
2663                 return       :: forall m a. (...) => a      -> m a
2664                 fail         :: forall m a. (...) => String -> m a
2665              </screen>
2666              (The (...) part can be any context including the empty context; that part 
2667              is up to you.)
2668              If the functions don't have the right type, very peculiar things may 
2669              happen.  Use <literal>-dcore-lint</literal> to
2670              typecheck the desugared program.  If Core Lint is happy you should be all right.</para>
2671
2672 </sect2>
2673 </sect1>
2674
2675 <!-- =============================== PRAGMAS ===========================  -->
2676
2677   <sect1 id="pragmas">
2678     <title>Pragmas</title>
2679
2680     <indexterm><primary>pragma</primary></indexterm>
2681
2682     <para>GHC supports several pragmas, or instructions to the
2683     compiler placed in the source code.  Pragmas don't normally affect
2684     the meaning of the program, but they might affect the efficiency
2685     of the generated code.</para>
2686
2687     <para>Pragmas all take the form
2688
2689 <literal>{-# <replaceable>word</replaceable> ... #-}</literal>  
2690
2691     where <replaceable>word</replaceable> indicates the type of
2692     pragma, and is followed optionally by information specific to that
2693     type of pragma.  Case is ignored in
2694     <replaceable>word</replaceable>.  The various values for
2695     <replaceable>word</replaceable> that GHC understands are described
2696     in the following sections; any pragma encountered with an
2697     unrecognised <replaceable>word</replaceable> is (silently)
2698     ignored.</para>
2699
2700 <sect2 id="inline-pragma">
2701 <title>INLINE pragma
2702
2703 <indexterm><primary>INLINE pragma</primary></indexterm>
2704 <indexterm><primary>pragma, INLINE</primary></indexterm></title>
2705
2706 <para>
2707 GHC (with <option>-O</option>, as always) tries to inline (or &ldquo;unfold&rdquo;)
2708 functions/values that are &ldquo;small enough,&rdquo; thus avoiding the call
2709 overhead and possibly exposing other more-wonderful optimisations.
2710 </para>
2711
2712 <para>
2713 You will probably see these unfoldings (in Core syntax) in your
2714 interface files.
2715 </para>
2716
2717 <para>
2718 Normally, if GHC decides a function is &ldquo;too expensive&rdquo; to inline, it
2719 will not do so, nor will it export that unfolding for other modules to
2720 use.
2721 </para>
2722
2723 <para>
2724 The sledgehammer you can bring to bear is the
2725 <literal>INLINE</literal><indexterm><primary>INLINE pragma</primary></indexterm> pragma, used thusly:
2726
2727 <programlisting>
2728 key_function :: Int -> String -> (Bool, Double)
2729
2730 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
2731 {-# INLINE key_function #-}
2732 #endif
2733 </programlisting>
2734
2735 (You don't need to do the C pre-processor carry-on unless you're going
2736 to stick the code through HBC&mdash;it doesn't like <literal>INLINE</literal> pragmas.)
2737 </para>
2738
2739 <para>
2740 The major effect of an <literal>INLINE</literal> pragma is to declare a function's
2741 &ldquo;cost&rdquo; to be very low.  The normal unfolding machinery will then be
2742 very keen to inline it.
2743 </para>
2744
2745 <para>
2746 An <literal>INLINE</literal> pragma for a function can be put anywhere its type
2747 signature could be put.
2748 </para>
2749
2750 <para>
2751 <literal>INLINE</literal> pragmas are a particularly good idea for the
2752 <literal>then</literal>/<literal>return</literal> (or <literal>bind</literal>/<literal>unit</literal>) functions in a monad.
2753 For example, in GHC's own <literal>UniqueSupply</literal> monad code, we have:
2754
2755 <programlisting>
2756 #ifdef __GLASGOW_HASKELL__
2757 {-# INLINE thenUs #-}
2758 {-# INLINE returnUs #-}
2759 #endif
2760 </programlisting>
2761
2762 </para>
2763
2764 </sect2>
2765
2766 <sect2 id="noinline-pragma">
2767 <title>NOINLINE pragma
2768 </title>
2769
2770 <indexterm><primary>NOINLINE pragma</primary></indexterm>
2771 <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>NOINLINE</secondary></indexterm>
2772 <indexterm><primary>NOTINLINE pragma</primary></indexterm>
2773 <indexterm><primary>pragma</primary><secondary>NOTINLINE</secondary></indexterm>
2774
2775 <para>
2776 The <literal>NOINLINE</literal> pragma does exactly what you'd expect:
2777 it stops the named function from being inlined by the compiler.  You
2778 shouldn't ever need to do this, unless you're very cautious about code
2779 size.
2780 </para>
2781
2782 <para><literal>NOTINLINE</literal> is a synonym for
2783 <literal>NOINLINE</literal> (<literal>NOTINLINE</literal> is specified
2784 by Haskell 98 as the standard way to disable inlining, so it should be
2785 used if you want your code to be portable).</para>
2786
2787 </sect2>
2788
2789     <sect2 id="specialize-pragma">
2790       <title>SPECIALIZE pragma</title>
2791
2792       <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
2793       <indexterm><primary>pragma, SPECIALIZE</primary></indexterm>
2794       <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
2795
2796       <para>(UK spelling also accepted.)  For key overloaded
2797       functions, you can create extra versions (NB: more code space)
2798       specialised to particular types.  Thus, if you have an
2799       overloaded function:</para>
2800
2801 <programlisting>
2802 hammeredLookup :: Ord key => [(key, value)] -> key -> value
2803 </programlisting>
2804
2805       <para>If it is heavily used on lists with
2806       <literal>Widget</literal> keys, you could specialise it as
2807       follows:</para>
2808
2809 <programlisting>
2810 {-# SPECIALIZE hammeredLookup :: [(Widget, value)] -> Widget -> value #-}
2811 </programlisting>
2812
2813       <para>To get very fancy, you can also specify a named function
2814       to use for the specialised value, as in:</para>
2815
2816 <programlisting>
2817 {-# RULES hammeredLookup = blah #-}
2818 </programlisting>
2819
2820       <para>where <literal>blah</literal> is an implementation of
2821       <literal>hammerdLookup</literal> written specialy for
2822       <literal>Widget</literal> lookups.  It's <emphasis>Your
2823       Responsibility</emphasis> to make sure that
2824       <function>blah</function> really behaves as a specialised
2825       version of <function>hammeredLookup</function>!!!</para>
2826
2827       <para>Note we use the <literal>RULE</literal> pragma here to
2828       indicate that <literal>hammeredLookup</literal> applied at a
2829       certain type should be replaced by <literal>blah</literal>.  See
2830       <xref linkend="rules"> for more information on
2831       <literal>RULES</literal>.</para>
2832
2833       <para>An example in which using <literal>RULES</literal> for
2834       specialisation will Win Big:
2835
2836 <programlisting>
2837 toDouble :: Real a => a -> Double
2838 toDouble = fromRational . toRational
2839
2840 {-# SPECIALIZE toDouble :: Int -> Double = i2d #-}
2841 i2d (I# i) = D# (int2Double# i) -- uses Glasgow prim-op directly
2842 </programlisting>
2843
2844       The <function>i2d</function> function is virtually one machine
2845       instruction; the default conversion&mdash;via an intermediate
2846       <literal>Rational</literal>&mdash;is obscenely expensive by
2847       comparison.</para>
2848
2849       <para>A <literal>SPECIALIZE</literal> pragma for a function can
2850       be put anywhere its type signature could be put.</para>
2851
2852     </sect2>
2853
2854 <sect2 id="specialize-instance-pragma">
2855 <title>SPECIALIZE instance pragma
2856 </title>
2857
2858 <para>
2859 <indexterm><primary>SPECIALIZE pragma</primary></indexterm>
2860 <indexterm><primary>overloading, death to</primary></indexterm>
2861 Same idea, except for instance declarations.  For example:
2862
2863 <programlisting>
2864 instance (Eq a) => Eq (Foo a) where { 
2865    {-# SPECIALIZE instance Eq (Foo [(Int, Bar)]) #-}
2866    ... usual stuff ...
2867  }
2868 </programlisting>
2869 The pragma must occur inside the <literal>where</literal> part
2870 of the instance declaration.
2871 </para>
2872 <para>
2873 Compatible with HBC, by the way, except perhaps in the placement
2874 of the pragma.
2875 </para>
2876
2877 </sect2>
2878
2879 <sect2 id="line-pragma">
2880 <title>LINE pragma
2881 </title>
2882
2883 <para>
2884 <indexterm><primary>LINE pragma</primary></indexterm>
2885 <indexterm><primary>pragma, LINE</primary></indexterm>
2886 </para>
2887
2888 <para>
2889 This pragma is similar to C's <literal>&num;line</literal> pragma, and is mainly for use in
2890 automatically generated Haskell code.  It lets you specify the line
2891 number and filename of the original code; for example
2892 </para>
2893
2894 <para>
2895
2896 <programlisting>
2897 {-# LINE 42 "Foo.vhs" #-}
2898 </programlisting>
2899
2900 </para>
2901
2902 <para>
2903 if you'd generated the current file from something called <filename>Foo.vhs</filename>
2904 and this line corresponds to line 42 in the original.  GHC will adjust
2905 its error messages to refer to the line/file named in the <literal>LINE</literal>
2906 pragma.
2907 </para>
2908
2909 </sect2>
2910
2911 <sect2 id="rules">
2912 <title>RULES pragma</title>
2913
2914 <para>
2915 The RULES pragma lets you specify rewrite rules.  It is described in
2916 <xref LinkEnd="rewrite-rules">.
2917 </para>
2918
2919 </sect2>
2920
2921 <sect2 id="deprecated-pragma">
2922 <title>DEPRECATED pragma</title>
2923
2924 <para>
2925 The DEPRECATED pragma lets you specify that a particular function, class, or type, is deprecated.  
2926 There are two forms.  
2927 </para>
2928 <itemizedlist>
2929 <listitem><para>
2930 You can deprecate an entire module thus:</para>
2931 <programlisting>
2932    module Wibble {-# DEPRECATED "Use Wobble instead" #-} where
2933      ...
2934 </programlisting>
2935 <para>
2936 When you compile any module that import <literal>Wibble</literal>, GHC will print
2937 the specified message.</para>
2938 </listitem>
2939
2940 <listitem>
2941 <para>
2942 You can deprecate a function, class, or type, with the following top-level declaration:
2943 </para>
2944 <programlisting>
2945    {-# DEPRECATED f, C, T "Don't use these" #-}
2946 </programlisting>
2947 <para>
2948 When you compile any module that imports and uses any of the specifed entities, 
2949 GHC will print the specified message.
2950 </para>
2951 </listitem>
2952 </itemizedlist>
2953 <para>You can suppress the warnings with the flag <option>-fno-warn-deprecations</option>.</para>
2954
2955 </sect2>
2956
2957 </sect1>
2958
2959 <!--  ======================= REWRITE RULES ======================== -->
2960
2961 <sect1 id="rewrite-rules">
2962 <title>Rewrite rules
2963
2964 <indexterm><primary>RULES pagma</primary></indexterm>
2965 <indexterm><primary>pragma, RULES</primary></indexterm>
2966 <indexterm><primary>rewrite rules</primary></indexterm></title>
2967
2968 <para>
2969 The programmer can specify rewrite rules as part of the source program
2970 (in a pragma).  GHC applies these rewrite rules wherever it can.
2971 </para>
2972
2973 <para>
2974 Here is an example:
2975
2976 <programlisting>
2977   {-# RULES
2978         "map/map"       forall f g xs. map f (map g xs) = map (f.g) xs
2979   #-}
2980 </programlisting>
2981
2982 </para>
2983
2984 <sect2>
2985 <title>Syntax</title>
2986
2987 <para>
2988 From a syntactic point of view:
2989
2990 <itemizedlist>
2991 <listitem>
2992
2993 <para>
2994  Each rule has a name, enclosed in double quotes.  The name itself has
2995 no significance at all.  It is only used when reporting how many times the rule fired.
2996 </para>
2997 </listitem>
2998 <listitem>
2999
3000 <para>
3001  There may be zero or more rules in a <literal>RULES</literal> pragma.
3002 </para>
3003 </listitem>
3004 <listitem>
3005
3006 <para>
3007  Layout applies in a <literal>RULES</literal> pragma.  Currently no new indentation level
3008 is set, so you must lay out your rules starting in the same column as the
3009 enclosing definitions.
3010 </para>
3011 </listitem>
3012 <listitem>
3013
3014 <para>
3015  Each variable mentioned in a rule must either be in scope (e.g. <function>map</function>),
3016 or bound by the <literal>forall</literal> (e.g. <function>f</function>, <function>g</function>, <function>xs</function>).  The variables bound by
3017 the <literal>forall</literal> are called the <emphasis>pattern</emphasis> variables.  They are separated
3018 by spaces, just like in a type <literal>forall</literal>.
3019 </para>
3020 </listitem>
3021 <listitem>
3022
3023 <para>
3024  A pattern variable may optionally have a type signature.
3025 If the type of the pattern variable is polymorphic, it <emphasis>must</emphasis> have a type signature.
3026 For example, here is the <literal>foldr/build</literal> rule:
3027
3028 <programlisting>
3029 "fold/build"  forall k z (g::forall b. (a->b->b) -> b -> b) .
3030               foldr k z (build g) = g k z
3031 </programlisting>
3032
3033 Since <function>g</function> has a polymorphic type, it must have a type signature.
3034
3035 </para>
3036 </listitem>
3037 <listitem>
3038
3039 <para>
3040 The left hand side of a rule must consist of a top-level variable applied
3041 to arbitrary expressions.  For example, this is <emphasis>not</emphasis> OK:
3042
3043 <programlisting>
3044 "wrong1"   forall e1 e2.  case True of { True -> e1; False -> e2 } = e1
3045 "wrong2"   forall f.      f True = True
3046 </programlisting>
3047
3048 In <literal>"wrong1"</literal>, the LHS is not an application; in <literal>"wrong2"</literal>, the LHS has a pattern variable
3049 in the head.
3050 </para>
3051 </listitem>
3052 <listitem>
3053
3054 <para>
3055  A rule does not need to be in the same module as (any of) the
3056 variables it mentions, though of course they need to be in scope.
3057 </para>
3058 </listitem>
3059 <listitem>
3060
3061 <para>
3062  Rules are automatically exported from a module, just as instance declarations are.
3063 </para>
3064 </listitem>
3065
3066 </itemizedlist>
3067
3068 </para>
3069
3070 </sect2>
3071
3072 <sect2>
3073 <title>Semantics</title>
3074
3075 <para>
3076 From a semantic point of view:
3077
3078 <itemizedlist>
3079 <listitem>
3080
3081 <para>
3082 Rules are only applied if you use the <option>-O</option> flag.
3083 </para>
3084 </listitem>
3085
3086 <listitem>
3087 <para>
3088  Rules are regarded as left-to-right rewrite rules.
3089 When GHC finds an expression that is a substitution instance of the LHS
3090 of a rule, it replaces the expression by the (appropriately-substituted) RHS.
3091 By "a substitution instance" we mean that the LHS can be made equal to the
3092 expression by substituting for the pattern variables.
3093
3094 </para>
3095 </listitem>
3096 <listitem>
3097
3098 <para>
3099  The LHS and RHS of a rule are typechecked, and must have the
3100 same type.
3101
3102 </para>
3103 </listitem>
3104 <listitem>
3105
3106 <para>
3107  GHC makes absolutely no attempt to verify that the LHS and RHS
3108 of a rule have the same meaning.  That is undecideable in general, and
3109 infeasible in most interesting cases.  The responsibility is entirely the programmer's!
3110
3111 </para>
3112 </listitem>
3113 <listitem>
3114
3115 <para>
3116  GHC makes no attempt to make sure that the rules are confluent or
3117 terminating.  For example:
3118
3119 <programlisting>
3120   "loop"        forall x,y.  f x y = f y x
3121 </programlisting>
3122
3123 This rule will cause the compiler to go into an infinite loop.
3124
3125 </para>
3126 </listitem>
3127 <listitem>
3128
3129 <para>
3130  If more than one rule matches a call, GHC will choose one arbitrarily to apply.
3131
3132 </para>
3133 </listitem>
3134 <listitem>
3135 <para>
3136  GHC currently uses a very simple, syntactic, matching algorithm
3137 for matching a rule LHS with an expression.  It seeks a substitution
3138 which makes the LHS and expression syntactically equal modulo alpha
3139 conversion.  The pattern (rule), but not the expression, is eta-expanded if
3140 necessary.  (Eta-expanding the epression can lead to laziness bugs.)
3141 But not beta conversion (that's called higher-order matching).
3142 </para>
3143
3144 <para>
3145 Matching is carried out on GHC's intermediate language, which includes
3146 type abstractions and applications.  So a rule only matches if the
3147 types match too.  See <xref LinkEnd="rule-spec"> below.
3148 </para>
3149 </listitem>
3150 <listitem>
3151
3152 <para>
3153  GHC keeps trying to apply the rules as it optimises the program.
3154 For example, consider:
3155
3156 <programlisting>
3157   let s = map f
3158       t = map g
3159   in
3160   s (t xs)
3161 </programlisting>
3162
3163 The expression <literal>s (t xs)</literal> does not match the rule <literal>"map/map"</literal>, but GHC
3164 will substitute for <VarName>s</VarName> and <VarName>t</VarName>, giving an expression which does match.
3165 If <VarName>s</VarName> or <VarName>t</VarName> was (a) used more than once, and (b) large or a redex, then it would
3166 not be substituted, and the rule would not fire.
3167
3168 </para>
3169 </listitem>
3170 <listitem>
3171
3172 <para>
3173  In the earlier phases of compilation, GHC inlines <emphasis>nothing
3174 that appears on the LHS of a rule</emphasis>, because once you have substituted
3175 for something you can't match against it (given the simple minded
3176 matching).  So if you write the rule
3177
3178 <programlisting>
3179         "map/map"       forall f,g.  map f . map g = map (f.g)
3180 </programlisting>
3181
3182 this <emphasis>won't</emphasis> match the expression <literal>map f (map g xs)</literal>.
3183 It will only match something written with explicit use of ".".
3184 Well, not quite.  It <emphasis>will</emphasis> match the expression
3185
3186 <programlisting>
3187 wibble f g xs
3188 </programlisting>
3189
3190 where <function>wibble</function> is defined:
3191
3192 <programlisting>
3193 wibble f g = map f . map g
3194 </programlisting>
3195
3196 because <function>wibble</function> will be inlined (it's small).
3197
3198 Later on in compilation, GHC starts inlining even things on the
3199 LHS of rules, but still leaves the rules enabled.  This inlining
3200 policy is controlled by the per-simplification-pass flag <option>-finline-phase</option><emphasis>n</emphasis>.
3201
3202 </para>
3203 </listitem>
3204 <listitem>
3205
3206 <para>
3207  All rules are implicitly exported from the module, and are therefore
3208 in force in any module that imports the module that defined the rule, directly
3209 or indirectly.  (That is, if A imports B, which imports C, then C's rules are
3210 in force when compiling A.)  The situation is very similar to that for instance
3211 declarations.
3212 </para>
3213 </listitem>
3214
3215 </itemizedlist>
3216
3217 </para>
3218
3219 </sect2>
3220
3221 <sect2>
3222 <title>List fusion</title>
3223
3224 <para>
3225 The RULES mechanism is used to implement fusion (deforestation) of common list functions.
3226 If a "good consumer" consumes an intermediate list constructed by a "good producer", the
3227 intermediate list should be eliminated entirely.
3228 </para>
3229
3230 <para>
3231 The following are good producers:
3232
3233 <itemizedlist>
3234 <listitem>
3235
3236 <para>
3237  List comprehensions
3238 </para>
3239 </listitem>
3240 <listitem>
3241
3242 <para>
3243  Enumerations of <literal>Int</literal> and <literal>Char</literal> (e.g. <literal>['a'..'z']</literal>).
3244 </para>
3245 </listitem>
3246 <listitem>
3247
3248 <para>
3249  Explicit lists (e.g. <literal>[True, False]</literal>)
3250 </para>
3251 </listitem>
3252 <listitem>
3253
3254 <para>
3255  The cons constructor (e.g <literal>3:4:[]</literal>)
3256 </para>
3257 </listitem>
3258 <listitem>
3259
3260 <para>
3261  <function>++</function>
3262 </para>
3263 </listitem>
3264
3265 <listitem>
3266 <para>
3267  <function>map</function>
3268 </para>
3269 </listitem>
3270
3271 <listitem>
3272 <para>
3273  <function>filter</function>
3274 </para>
3275 </listitem>
3276 <listitem>
3277
3278 <para>
3279  <function>iterate</function>, <function>repeat</function>
3280 </para>
3281 </listitem>
3282 <listitem>
3283
3284 <para>
3285  <function>zip</function>, <function>zipWith</function>
3286 </para>
3287 </listitem>
3288
3289 </itemizedlist>
3290
3291 </para>
3292
3293 <para>
3294 The following are good consumers:
3295
3296 <itemizedlist>
3297 <listitem>
3298
3299 <para>
3300  List comprehensions
3301 </para>
3302 </listitem>
3303 <listitem>
3304
3305 <para>
3306  <function>array</function> (on its second argument)
3307 </para>
3308 </listitem>
3309 <listitem>
3310
3311 <para>
3312  <function>length</function>
3313 </para>
3314 </listitem>
3315 <listitem>
3316
3317 <para>
3318  <function>++</function> (on its first argument)
3319 </para>
3320 </listitem>
3321
3322 <listitem>
3323 <para>
3324  <function>foldr</function>
3325 </para>
3326 </listitem>
3327
3328 <listitem>
3329 <para>
3330  <function>map</function>
3331 </para>
3332 </listitem>
3333 <listitem>
3334
3335 <para>
3336  <function>filter</function>
3337 </para>
3338 </listitem>
3339 <listitem>
3340
3341 <para>
3342  <function>concat</function>
3343 </para>
3344 </listitem>
3345 <listitem>
3346
3347 <para>
3348  <function>unzip</function>, <function>unzip2</function>, <function>unzip3</function>, <function>unzip4</function>
3349 </para>
3350 </listitem>
3351 <listitem>
3352
3353 <para>
3354  <function>zip</function>, <function>zipWith</function> (but on one argument only; if both are good producers, <function>zip</function>
3355 will fuse with one but not the other)
3356 </para>
3357 </listitem>
3358 <listitem>
3359
3360 <para>
3361  <function>partition</function>
3362 </para>
3363 </listitem>
3364 <listitem>
3365
3366 <para>
3367  <function>head</function>
3368 </para>
3369 </listitem>
3370 <listitem>
3371
3372 <para>
3373  <function>and</function>, <function>or</function>, <function>any</function>, <function>all</function>
3374 </para>
3375 </listitem>
3376 <listitem>
3377
3378 <para>
3379  <function>sequence&lowbar;</function>
3380 </para>
3381 </listitem>
3382 <listitem>
3383
3384 <para>
3385  <function>msum</function>
3386 </para>
3387 </listitem>
3388 <listitem>
3389
3390 <para>
3391  <function>sortBy</function>
3392 </para>
3393 </listitem>
3394
3395 </itemizedlist>
3396
3397 </para>
3398
3399 <para>
3400 So, for example, the following should generate no intermediate lists:
3401
3402 <programlisting>
3403 array (1,10) [(i,i*i) | i &#60;- map (+ 1) [0..9]]
3404 </programlisting>
3405
3406 </para>
3407
3408 <para>
3409 This list could readily be extended; if there are Prelude functions that you use
3410 a lot which are not included, please tell us.
3411 </para>
3412
3413 <para>
3414 If you want to write your own good consumers or producers, look at the
3415 Prelude definitions of the above functions to see how to do so.
3416 </para>
3417
3418 </sect2>
3419
3420 <sect2 id="rule-spec">
3421 <title>Specialisation
3422 </title>
3423
3424 <para>
3425 Rewrite rules can be used to get the same effect as a feature
3426 present in earlier version of GHC:
3427
3428 <programlisting>
3429   {-# SPECIALIZE fromIntegral :: Int8 -> Int16 = int8ToInt16 #-}
3430 </programlisting>
3431
3432 This told GHC to use <function>int8ToInt16</function> instead of <function>fromIntegral</function> whenever
3433 the latter was called with type <literal>Int8 -&gt; Int16</literal>.  That is, rather than
3434 specialising the original definition of <function>fromIntegral</function> the programmer is
3435 promising that it is safe to use <function>int8ToInt16</function> instead.
3436 </para>
3437
3438 <para>
3439 This feature is no longer in GHC.  But rewrite rules let you do the
3440 same thing:
3441
3442 <programlisting>
3443 {-# RULES
3444   "fromIntegral/Int8/Int16" fromIntegral = int8ToInt16
3445 #-}
3446 </programlisting>
3447
3448 This slightly odd-looking rule instructs GHC to replace <function>fromIntegral</function>
3449 by <function>int8ToInt16</function> <emphasis>whenever the types match</emphasis>.  Speaking more operationally,
3450 GHC adds the type and dictionary applications to get the typed rule
3451
3452 <programlisting>
3453 forall (d1::Integral Int8) (d2::Num Int16) .
3454         fromIntegral Int8 Int16 d1 d2 = int8ToInt16
3455 </programlisting>
3456
3457 What is more,
3458 this rule does not need to be in the same file as fromIntegral,
3459 unlike the <literal>SPECIALISE</literal> pragmas which currently do (so that they
3460 have an original definition available to specialise).
3461 </para>
3462
3463 </sect2>
3464
3465 <sect2>
3466 <title>Controlling what's going on</title>
3467
3468 <para>
3469
3470 <itemizedlist>
3471 <listitem>
3472
3473 <para>
3474  Use <option>-ddump-rules</option> to see what transformation rules GHC is using.
3475 </para>
3476 </listitem>
3477 <listitem>
3478
3479 <para>
3480  Use <option>-ddump-simpl-stats</option> to see what rules are being fired.
3481 If you add <option>-dppr-debug</option> you get a more detailed listing.
3482 </para>
3483 </listitem>
3484 <listitem>
3485
3486 <para>
3487  The defintion of (say) <function>build</function> in <FileName>PrelBase.lhs</FileName> looks llike this:
3488
3489 <programlisting>
3490         build   :: forall a. (forall b. (a -> b -> b) -> b -> b) -> [a]
3491         {-# INLINE build #-}
3492         build g = g (:) []
3493 </programlisting>
3494
3495 Notice the <literal>INLINE</literal>!  That prevents <literal>(:)</literal> from being inlined when compiling
3496 <literal>PrelBase</literal>, so that an importing module will &ldquo;see&rdquo; the <literal>(:)</literal>, and can
3497 match it on the LHS of a rule.  <literal>INLINE</literal> prevents any inlining happening
3498 in the RHS of the <literal>INLINE</literal> thing.  I regret the delicacy of this.
3499
3500 </para>
3501 </listitem>
3502 <listitem>
3503
3504 <para>
3505  In <filename>ghc/lib/std/PrelBase.lhs</filename> look at the rules for <function>map</function> to
3506 see how to write rules that will do fusion and yet give an efficient
3507 program even if fusion doesn't happen.  More rules in <filename>PrelList.lhs</filename>.
3508 </para>
3509 </listitem>
3510
3511 </itemizedlist>
3512
3513 </para>
3514
3515 </sect2>
3516
3517 </sect1>
3518
3519 <sect1 id="generic-classes">
3520 <title>Generic classes</title>
3521
3522     <para>(Note: support for generic classes is currently broken in
3523     GHC 5.02).</para>
3524
3525 <para>
3526 The ideas behind this extension are described in detail in "Derivable type classes",
3527 Ralf Hinze and Simon Peyton Jones, Haskell Workshop, Montreal Sept 2000, pp94-105.
3528 An example will give the idea:
3529 </para>
3530
3531 <programlisting>
3532   import Generics
3533
3534   class Bin a where
3535     toBin   :: a -> [Int]
3536     fromBin :: [Int] -> (a, [Int])
3537   
3538     toBin {| Unit |}    Unit      = []
3539     toBin {| a :+: b |} (Inl x)   = 0 : toBin x
3540     toBin {| a :+: b |} (Inr y)   = 1 : toBin y
3541     toBin {| a :*: b |} (x :*: y) = toBin x ++ toBin y
3542   
3543     fromBin {| Unit |}    bs      = (Unit, bs)
3544     fromBin {| a :+: b |} (0:bs)  = (Inl x, bs')    where (x,bs') = fromBin bs
3545     fromBin {| a :+: b |} (1:bs)  = (Inr y, bs')    where (y,bs') = fromBin bs
3546     fromBin {| a :*: b |} bs      = (x :*: y, bs'') where (x,bs' ) = fromBin bs
3547                                                           (y,bs'') = fromBin bs'
3548 </programlisting>
3549 <para>
3550 This class declaration explains how <literal>toBin</literal> and <literal>fromBin</literal>
3551 work for arbitrary data types.  They do so by giving cases for unit, product, and sum,
3552 which are defined thus in the library module <literal>Generics</literal>:
3553 </para>
3554 <programlisting>
3555   data Unit    = Unit
3556   data a :+: b = Inl a | Inr b
3557   data a :*: b = a :*: b
3558 </programlisting>
3559 <para>
3560 Now you can make a data type into an instance of Bin like this:
3561 <programlisting>
3562   instance (Bin a, Bin b) => Bin (a,b)
3563   instance Bin a => Bin [a]
3564 </programlisting>
3565 That is, just leave off the "where" clasuse.  Of course, you can put in the
3566 where clause and over-ride whichever methods you please.
3567 </para>
3568
3569     <sect2>
3570       <title> Using generics </title>
3571       <para>To use generics you need to</para>
3572       <itemizedlist>
3573         <listitem>
3574           <para>Use the flags <option>-fglasgow-exts</option> (to enable the extra syntax), 
3575                 <option>-fgenerics</option> (to generate extra per-data-type code),
3576                 and <option>-package lang</option> (to make the <literal>Generics</literal> library
3577                 available.  </para>
3578         </listitem>
3579         <listitem>
3580           <para>Import the module <literal>Generics</literal> from the
3581           <literal>lang</literal> package.  This import brings into
3582           scope the data types <literal>Unit</literal>,
3583           <literal>:*:</literal>, and <literal>:+:</literal>.  (You
3584           don't need this import if you don't mention these types
3585           explicitly; for example, if you are simply giving instance
3586           declarations.)</para>
3587         </listitem>
3588       </itemizedlist>
3589     </sect2>
3590
3591 <sect2> <title> Changes wrt the paper </title>
3592 <para>
3593 Note that the type constructors <literal>:+:</literal> and <literal>:*:</literal> 
3594 can be written infix (indeed, you can now use
3595 any operator starting in a colon as an infix type constructor).  Also note that
3596 the type constructors are not exactly as in the paper (Unit instead of 1, etc).
3597 Finally, note that the syntax of the type patterns in the class declaration
3598 uses "<literal>{|</literal>" and "<literal>|}</literal>" brackets; curly braces
3599 alone would ambiguous when they appear on right hand sides (an extension we 
3600 anticipate wanting).
3601 </para>
3602 </sect2>
3603
3604 <sect2> <title>Terminology and restrictions</title>
3605 <para>
3606 Terminology.  A "generic default method" in a class declaration
3607 is one that is defined using type patterns as above.
3608 A "polymorphic default method" is a default method defined as in Haskell 98.
3609 A "generic class declaration" is a class declaration with at least one
3610 generic default method.
3611 </para>
3612
3613 <para>
3614 Restrictions:
3615 <itemizedlist>
3616 <listitem>
3617 <para>
3618 Alas, we do not yet implement the stuff about constructor names and 
3619 field labels.
3620 </para>
3621 </listitem>
3622
3623 <listitem>
3624 <para>
3625 A generic class can have only one parameter; you can't have a generic
3626 multi-parameter class.
3627 </para>
3628 </listitem>
3629
3630 <listitem>
3631 <para>
3632 A default method must be defined entirely using type patterns, or entirely
3633 without.  So this is illegal:
3634 <programlisting>
3635   class Foo a where
3636     op :: a -> (a, Bool)
3637     op {| Unit |} Unit = (Unit, True)
3638     op x               = (x,    False)
3639 </programlisting>
3640 However it is perfectly OK for some methods of a generic class to have 
3641 generic default methods and others to have polymorphic default methods.
3642 </para>
3643 </listitem>
3644
3645 <listitem>
3646 <para>
3647 The type variable(s) in the type pattern for a generic method declaration
3648 scope over the right hand side.  So this is legal (note the use of the type variable ``p'' in a type signature on the right hand side:
3649 <programlisting>
3650   class Foo a where
3651     op :: a -> Bool
3652     op {| p :*: q |} (x :*: y) = op (x :: p)
3653     ...
3654 </programlisting>
3655 </para>
3656 </listitem>
3657
3658 <listitem>
3659 <para>
3660 The type patterns in a generic default method must take one of the forms:
3661 <programlisting>
3662        a :+: b
3663        a :*: b
3664        Unit
3665 </programlisting>
3666 where "a" and "b" are type variables.  Furthermore, all the type patterns for
3667 a single type constructor (<literal>:*:</literal>, say) must be identical; they
3668 must use the same type variables.  So this is illegal:
3669 <programlisting>
3670   class Foo a where
3671     op :: a -> Bool
3672     op {| a :+: b |} (Inl x) = True
3673     op {| p :+: q |} (Inr y) = False
3674 </programlisting>
3675 The type patterns must be identical, even in equations for different methods of the class.
3676 So this too is illegal:
3677 <programlisting>
3678   class Foo a where
3679     op1 :: a -> Bool
3680     op1 {| a :*: b |} (x :*: y) = True
3681
3682     op2 :: a -> Bool
3683     op2 {| p :*: q |} (x :*: y) = False
3684 </programlisting>
3685 (The reason for this restriction is that we gather all the equations for a particular type consructor
3686 into a single generic instance declaration.)
3687 </para>
3688 </listitem>
3689
3690 <listitem>
3691 <para>
3692 A generic method declaration must give a case for each of the three type constructors.
3693 </para>
3694 </listitem>
3695
3696 <listitem>
3697 <para>
3698 The type for a generic method can be built only from:
3699   <itemizedlist>
3700   <listitem> <para> Function arrows </para> </listitem>
3701   <listitem> <para> Type variables </para> </listitem>
3702   <listitem> <para> Tuples </para> </listitem>
3703   <listitem> <para> Arbitrary types not involving type variables </para> </listitem>
3704   </itemizedlist>
3705 Here are some example type signatures for generic methods:
3706 <programlisting>
3707     op1 :: a -> Bool
3708     op2 :: Bool -> (a,Bool)
3709     op3 :: [Int] -> a -> a
3710     op4 :: [a] -> Bool
3711 </programlisting>
3712 Here, op1, op2, op3 are OK, but op4 is rejected, because it has a type variable
3713 inside a list.  
3714 </para>
3715 <para>
3716 This restriction is an implementation restriction: we just havn't got around to
3717 implementing the necessary bidirectional maps over arbitrary type constructors.
3718 It would be relatively easy to add specific type constructors, such as Maybe and list,
3719 to the ones that are allowed.</para>
3720 </listitem>
3721
3722 <listitem>
3723 <para>
3724 In an instance declaration for a generic class, the idea is that the compiler
3725 will fill in the methods for you, based on the generic templates.  However it can only
3726 do so if
3727   <itemizedlist>
3728   <listitem>
3729   <para>
3730   The instance type is simple (a type constructor applied to type variables, as in Haskell 98).
3731   </para>
3732   </listitem>
3733   <listitem>
3734   <para>
3735   No constructor of the instance type has unboxed fields.
3736   </para>
3737   </listitem>
3738   </itemizedlist>
3739 (Of course, these things can only arise if you are already using GHC extensions.)
3740 However, you can still give an instance declarations for types which break these rules,
3741 provided you give explicit code to override any generic default methods.
3742 </para>
3743 </listitem>
3744
3745 </itemizedlist>
3746 </para>
3747
3748 <para>
3749 The option <option>-ddump-deriv</option> dumps incomprehensible stuff giving details of 
3750 what the compiler does with generic declarations.
3751 </para>
3752
3753 </sect2>
3754
3755 <sect2> <title> Another example </title>
3756 <para>
3757 Just to finish with, here's another example I rather like:
3758 <programlisting>
3759   class Tag a where
3760     nCons :: a -> Int
3761     nCons {| Unit |}    _ = 1
3762     nCons {| a :*: b |} _ = 1
3763     nCons {| a :+: b |} _ = nCons (bot::a) + nCons (bot::b)
3764   
3765     tag :: a -> Int
3766     tag {| Unit |}    _       = 1
3767     tag {| a :*: b |} _       = 1   
3768     tag {| a :+: b |} (Inl x) = tag x
3769     tag {| a :+: b |} (Inr y) = nCons (bot::a) + tag y
3770 </programlisting>
3771 </para>
3772 </sect2>
3773 </sect1>
3774
3775 <sect1 id="newtype-deriving">
3776 <title>Generalised derived instances for newtypes</title>
3777
3778 <para>
3779 When you define an abstract type using <literal>newtype</literal>, you may want
3780 the new type to inherit some instances from its representation. In
3781 Haskell 98, you can inherit instances of <literal>Eq</literal>, <literal>Ord</literal>,
3782 <literal>Enum</literal> and <literal>Bounded</literal> by deriving them, but for any
3783 other classes you have to write an explicit instance declaration. For
3784 example, if you define
3785
3786 <programlisting> 
3787   newtype Dollars = Dollars Int 
3788 </programlisting> 
3789
3790 and you want to use arithmetic on <literal>Dollars</literal>, you have to
3791 explicitly define an instance of <literal>Num</literal>:
3792
3793 <programlisting> 
3794   instance Num Dollars where
3795     Dollars a + Dollars b = Dollars (a+b)
3796     ...
3797 </programlisting>
3798 All the instance does is apply and remove the <literal>newtype</literal>
3799 constructor. It is particularly galling that, since the constructor
3800 doesn't appear at run-time, this instance declaration defines a
3801 dictionary which is <emphasis>wholly equivalent</emphasis> to the <literal>Int</literal>
3802 dictionary, only slower!
3803 </para>
3804
3805 <sect2> <title> Generalising the deriving clause </title>
3806 <para>
3807 GHC now permits such instances to be derived instead, so one can write 
3808 <programlisting> 
3809   newtype Dollars = Dollars Int deriving (Eq,Show,Num)
3810 </programlisting> 
3811
3812 and the implementation uses the <emphasis>same</emphasis> <literal>Num</literal> dictionary
3813 for <literal>Dollars</literal> as for <literal>Int</literal>. Notionally, the compiler
3814 derives an instance declaration of the form
3815
3816 <programlisting> 
3817   instance Num Int => Num Dollars
3818 </programlisting> 
3819
3820 which just adds or removes the <literal>newtype</literal> constructor according to the type.
3821 </para>
3822 <para>
3823
3824 We can also derive instances of constructor classes in a similar
3825 way. For example, suppose we have implemented state and failure monad
3826 transformers, such that
3827
3828 <programlisting> 
3829   instance Monad m => Monad (State s m) 
3830   instance Monad m => Monad (Failure m)
3831 </programlisting> 
3832 In Haskell 98, we can define a parsing monad by 
3833 <programlisting> 
3834   type Parser tok m a = State [tok] (Failure m) a
3835 </programlisting> 
3836
3837 which is automatically a monad thanks to the instance declarations
3838 above. With the extension, we can make the parser type abstract,
3839 without needing to write an instance of class <literal>Monad</literal>, via
3840
3841 <programlisting> 
3842   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3843                          deriving Monad
3844 </programlisting>
3845 In this case the derived instance declaration is of the form 
3846 <programlisting> 
3847   instance Monad (State [tok] (Failure m)) => Monad (Parser tok m) 
3848 </programlisting> 
3849
3850 Notice that, since <literal>Monad</literal> is a constructor class, the
3851 instance is a <emphasis>partial application</emphasis> of the new type, not the
3852 entire left hand side. We can imagine that the type declaration is
3853 ``eta-converted'' to generate the context of the instance
3854 declaration.
3855 </para>
3856 <para>
3857
3858 We can even derive instances of multi-parameter classes, provided the
3859 newtype is the last class parameter. In this case, a ``partial
3860 application'' of the class appears in the <literal>deriving</literal>
3861 clause. For example, given the class
3862
3863 <programlisting> 
3864   class StateMonad s m | m -> s where ... 
3865   instance Monad m => StateMonad s (State s m) where ... 
3866 </programlisting> 
3867 then we can derive an instance of <literal>StateMonad</literal> for <literal>Parser</literal>s by 
3868 <programlisting> 
3869   newtype Parser tok m a = Parser (State [tok] (Failure m) a)
3870                          deriving (Monad, StateMonad [tok])
3871 </programlisting>
3872
3873 The derived instance is obtained by completing the application of the
3874 class to the new type:
3875
3876 <programlisting> 
3877   instance StateMonad [tok] (State [tok] (Failure m)) =>
3878            StateMonad [tok] (Parser tok m)
3879 </programlisting>
3880 </para>
3881 <para>
3882
3883 As a result of this extension, all derived instances in newtype
3884 declarations are treated uniformly (and implemented just by reusing
3885 the dictionary for the representation type), <emphasis>except</emphasis>
3886 <literal>Show</literal> and <literal>Read</literal>, which really behave differently for
3887 the newtype and its representation.
3888 </para>
3889 </sect2>
3890
3891 <sect2> <title> A more precise specification </title>
3892 <para>
3893 Derived instance declarations are constructed as follows. Consider the
3894 declaration (after expansion of any type synonyms)
3895
3896 <programlisting> 
3897   newtype T v1...vn = T' (S t1...tk vk+1...vn) deriving (c1...cm) 
3898 </programlisting> 
3899
3900 where <literal>S</literal> is a type constructor, <literal>t1...tk</literal> are 
3901 types,
3902 <literal>vk+1...vn</literal> are type variables which do not occur in any of
3903 the <literal>ti</literal>, and the <literal>ci</literal> are partial applications of
3904 classes of the form <literal>C t1'...tj'</literal>.  The derived instance
3905 declarations are, for each <literal>ci</literal>,
3906
3907 <programlisting> 
3908   instance ci (S t1...tk vk+1...v) => ci (T v1...vp)
3909 </programlisting>
3910 where <literal>p</literal> is chosen so that <literal>T v1...vp</literal> is of the 
3911 right <emphasis>kind</emphasis> for the last parameter of class <literal>Ci</literal>.
3912 </para>
3913 <para>
3914
3915 As an example which does <emphasis>not</emphasis> work, consider 
3916 <programlisting> 
3917   newtype NonMonad m s = NonMonad (State s m s) deriving Monad 
3918 </programlisting> 
3919 Here we cannot derive the instance 
3920 <programlisting> 
3921   instance Monad (State s m) => Monad (NonMonad m) 
3922 </programlisting> 
3923
3924 because the type variable <literal>s</literal> occurs in <literal>State s m</literal>,
3925 and so cannot be "eta-converted" away. It is a good thing that this
3926 <literal>deriving</literal> clause is rejected, because <literal>NonMonad m</literal> is
3927 not, in fact, a monad --- for the same reason. Try defining
3928 <literal>>>=</literal> with the correct type: you won't be able to.
3929 </para>
3930 <para>
3931
3932 Notice also that the <emphasis>order</emphasis> of class parameters becomes
3933 important, since we can only derive instances for the last one. If the
3934 <literal>StateMonad</literal> class above were instead defined as
3935
3936 <programlisting> 
3937   class StateMonad m s | m -> s where ... 
3938 </programlisting>
3939
3940 then we would not have been able to derive an instance for the
3941 <literal>Parser</literal> type above. We hypothesise that multi-parameter
3942 classes usually have one "main" parameter for which deriving new
3943 instances is most interesting.
3944 </para>
3945 </sect2>
3946 </sect1>
3947
3948
3949
3950 <!-- Emacs stuff:
3951      ;;; Local Variables: ***
3952      ;;; mode: sgml ***
3953      ;;; sgml-parent-document: ("users_guide.sgml" "book" "chapter" "sect1") ***
3954      ;;; End: ***
3955  -->